丙烯腈均聚物和共聚物(聚丙烯腈,PAN)在衣物服饰、家纺用品和工业上具有广泛的应用,尤其是高性能的聚丙烯腈纤维可用于制备碳纤维。然而,聚丙烯腈分子链中的侧基睛基间有极强的偶极矩相互作用,导致了聚丙烯腈只能溶解在极性溶剂中,如N,N-二甲基甲酰胺(DMF),N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和二甲基亚砜(DMSO)中。离子液体是近年来开发的用于丙烯腈聚合和纺丝成形的新溶剂,尽管其工程化和工业化进程强烈依赖于离子液体的工业化成本和有效地回收利用,然而作为一种新溶剂体系所表现出的不同于常规溶剂体系的聚合物溶液特性和纺丝工艺特征,说明聚丙烯腈／离子液体的溶液纺丝不能照搬传统溶剂体系的纺丝工艺,启示我们有必要细致研究其纺丝成形动力学,为通过以离子液体为溶剂制备PAN纤维的工程化提供理论支持和工艺指导。首先利用溶液红外吸收光谱和流变学的方法分别研究了丙烯腈均聚物(PAN)和共聚物P(AN-co-MA)、P(AN-co-AM)在[BMIM]Cl中的溶解机理。溶液红外光谱结果表明,均聚物PAN分子链上的腈基C≡N波数发生了红移,同时发现[BMIM]C1中C(2)H的吸收峰发生蓝移现象,说明聚合物PAN与[BMIM]Cl发生了相互作用。而对于P(AN-co-MA)/[BMIM]C1溶液,仅有P(AN-co-MA)侧基腈基C≡N波数发生向低频方向移动,侧基羰基C=O波数没有发生任何变化。但是对于P(AN-co-AM)/[BMIM]Cl溶液,不仅有侧基腈基C≡N波数发生红移,而且由酰胺基团引入的侧基羰基C=O波数也出现了红移,说明P(AN-co-AM)通过侧基腈基C≡N和羰基C=O共同与溶剂[BMIM]C1发生了相互作用；按照流变学增比粘度、松弛时间对浓度的标度依赖关系讨论了共聚单体种类和含量对PAN/[BMIM]C1溶液流变学的影响,发现[BMIM]C1是PAN、P(AN-co-MA)的θ溶剂,是P(AN-co-AM)的良溶剂,与红外光谱的结果一致。可以推测,PAN主链上的侧基腈基C≡N与[BMIM]Cl中的阳离子[BMIM]+发生静电相互作用,破坏了PAN主链上C≡N之间强烈的偶极矩作用,实现了PAN在[BMIM]C1中溶解；对于P(AN-co-MA)在[BMIM]Cl中只发生侧基C≡N与[BMIM]Cl中的阳离子[BMIM]+静电相互作用,而对于P(AN-co-AM)/[BMIM]C1溶液,不仅存在着C≡N与[BMIM]+的相互作用,而且还存在着侧基酰胺基团中C=O与[BMIM]+的相互作用,引起了P(AN-co-AM)大分子在[BMIM]C1中更为舒展。通过流变学的方法研究了丙烯腈共聚物P(AN-co-IA)/BMIM]C1溶液的流体特性,主要考察了浓溶液的粘弹性对浓度和温度的依赖性,为进行流体纺丝挤出动力学模拟提供流变学参数。P(AN-co-IA)/[BMIM]Cl溶液可以划分为三个浓度区,稀溶液区、半稀非缠结区和浓的缠结浓度区。利用流变模型分别得到了各浓度区的粘度、松弛时间等流变学参数。通过考察P(AN-co-IA)/BMIM]C1浓溶液在降温过程中的粘弹性参数,发现P(AN-co-IA)/BMIM]C1浓溶液在降温过程中形成了微相分离的非均相结构,发生了溶胶—凝胶热可逆转变。利用Winter和Chambon的方法,求得了P(AN-co-IA)/BMIM]C1浓溶液的凝胶点温度Tgel,Tgel表现出强烈的浓度依赖性。利用有限元的方法,对P(AN-co-IA)/BMIM]C1浓溶液在圆形管道内的收缩流动进行了模拟。对比不同模型建立的本构,发现粘弹性的PTT流体模型不仅能够模拟低流速下的收缩流动,而且能够模拟较大流速和较高弹性的收缩流动,所以,以PTT流体模型为基础,考察了流动参数收缩率、流量、流体温度等对收缩流动的流线、速度、压力降、剪切速率和剪切应力的影响规律；通过增大流动速率考察了流体在收缩流动中的凸角回旋流(salient vortex)的变化趋势。发现,对于收缩率为CR=2-6的收缩管道,当流动速率增大时,凸角回旋流(salient vortex)的尺寸在轴向和径向都显著增大,回旋流中心逐渐靠近收缩入口处,但在收缩入口没有出现入口回旋流。对于收缩率CR=8的收缩管道,当流动速率进一步增大到Re=1.51×10-3(We=0.527)时,在收缩入口处出现了入口回旋流(lipvortex),二次回旋流大小随流体温度的降低而增大；考察了收缩率和流体流量对压力降的影响规律,发现流体在收缩管道内的压力降受流动速率影响较大,而几乎不受收缩率大小的影响；剪切应力主要集中在收缩入口的拐角处(re-entrant corner),出现应力集中现象；最后针对出现入口回旋流的收缩率CR=8的收缩管道,探讨了消除二次流动的方法。对熔融纺丝控制方程进行了调整,建立了适用于P(AN-co-IA)/[BMIM]C1浓溶液干喷湿纺的动力学模型。利用有限元方法对P(AN-co-IA)/[BMIM]C1浓溶液干喷湿纺空气段中的纺丝挤出动力学进行了模拟计算,重点研究了纺丝细流的挤出胀大现象,以及细流半径、速度和温度分布情况。首先考察了纺丝细流在喷丝孔出口附近的挤出胀大现象,发现挤出胀大受空气段长度和牵伸比共同影响。空气段长度越长,挤出胀大现象越明显。牵伸比越大,挤出胀大现象越弱；在对纺丝细流半径的研究中发现喷丝孔体积流量一定的情况下,纺丝细流半径只与牵伸比有关而与空气段长度无关；纺丝流体的速度分布明显受到细流位置点、空气段长度和牵伸速度的影响。纺丝细流轴向速度的变化可以分为两部分,空气段前端的速度增加平缓区和后端的速度极速增大区；空气段中,纺丝细流的表面温度随轴向距离增加一直下降,径向温度差很小,可以忽略。空气段纺丝挤出动力学的模拟研究,可以帮助人们加深对干喷湿纺空气段纺丝动力学的认识。通过控制纺丝牵伸速度,空气段长度等措施控制纺丝细流的挤出胀大、直径、速度分布等,达到预期纺丝成型结果。