碳纤维的高强、高模物性取决于原丝的种类、性能以及预氧化、碳化过程的工艺条件等因素。优质聚丙烯腈聚高分子及原丝是制取高性能碳纤维的关键。目前我国在高性能碳纤维,特别是高性能聚丙烯腈高分子及原丝方面的研究工作还比较欠缺,原丝质量已经成为阻碍国内高性能碳纤维发展的瓶颈,而通过丙烯腈(AN)与合适单体的共聚合,可以获得结构和性能优异的聚丙烯腈原丝,本文从聚丙烯腈的合成着手,研究了不同共聚单体对聚丙烯腈共聚物的结构与性能的影响,为高性能聚丙烯腈原丝及碳纤维的研制提供依据。文章采用了衣康酸(IA)、衣康酸单甲酯(MMIA)、丙烯酸甲酯(MA)三种共聚单体分别与丙烯腈(AN)进行自由基溶液共聚合反应。研究反应温度、引发剂浓度、单体浓度、单体配比对聚合反应的影响。用称重法测定单体的转化率;用乌氏粘度计法测定聚合物的粘均相对分子量。结果表明,单体的转化率随反应温度、引发剂浓度、单体浓度的增加而增加,随单体配比中第二单体含量的增加而减小;聚合物的分子量随反应温度、引发剂浓度、单体配比中第二单体含量的增加而减小,随单体浓度的增加而增加。采用Monte Carlo方法,对AN/IA共聚物的组成及共聚物的序列分布进行了模拟计算,结果发现可以通过控制单体的配比及聚合反应时间可控制共聚物的序列分布,从而得到分布较为均匀的共聚物。利用DSC、TG、FTIR对样品的结构和性能进行分析和表征。通过DSC的研究发现衣康酸、衣康酸单甲酯的加入可以改善聚合物的预氧化性能,而丙烯酸甲酯的加入则不利于丙烯腈共聚物的预氧化。TG研究表明,共聚单体中第二组份含量的增加会使聚合物分解温度升高,而且衣康酸、衣康酸单甲酯的加入有利于碳化。定义了环化程度函数,根据红外光谱吸收特征峰计算了不同热处理温度、不同热处理时间下的环化程度,均聚丙烯腈的环化反应较慢,而且难以形成梯形聚合物结构。共聚单体(衣康酸单甲酯)的加入,对提高聚丙烯腈聚合物的环化反应速率有明显的作用。如在220℃处理30min,P(AN-co-MMIA)的环化程度比PAN的环化程度高得多。为了研究纺丝原液的可纺性,利用德国HAAKE公司RS1型流变仪测试了PAN/DMSO溶液的流变性质。结果发现:分子量越高,PAN溶液的表观粘度对剪切速率的变化越敏感,当分子量达到10.83万时,PAN共聚物纺丝液的结构指数达到2.98。并发现溶液表观粘度会随纺丝温度的升高而下降。对P(AN-co-MA)、P(AN-co-MMIA)、P(AN-co-IA)三种相同分子量相同浓度的聚合物溶液流变性能研究发现,P(AN-co-MA)溶液的纺丝性能最好,P(AN-co-MMIA)溶液的纺丝性能介于其它两种共聚物之间。