含杂环的共聚芳香族聚酰胺纤维(简称杂环芳纶)是一种高强高模且耐高温的高性能纤维。由于其优异的力学性能和热性能,杂环芳纶被广泛应用于军工/航空等领域。本文从三方面对其进行研究。首先通过摄影法研究杂环芳纶纺丝原液的孔口胀大特性。具体研究孔口胀大比B与纺丝原液温度、挤出压力、毛细管长径比、滤布层数和聚合物分子量之间的变化规律。杂环芳纶纺丝原液在喷丝头挤出时会发生较为明显的孔口胀大现象。其孔口胀大比随着纺丝原液温度、滤布层数和喷丝头长径比的上升会逐渐下降,随着挤出压力和聚合物分子量的增加而增大。此外,孔口胀大活化能EB随着压力的增加而增大。在本论文的工艺条件下,杂环芳纶纺丝原液的挤出胀大比在1.17-1.37范围内。其次研究凝固工艺对杂环芳纶力学性能和初生纤维形貌的影响,主要包括喷头负拉伸、凝固浴浓度场和温度场。通过SEM、强力、XRD等一系列测试与表征发现当凝固浴浓度为20%和温度为30℃,且喷头负拉伸为-30%时初生丝的力学性能最强且表面光滑。通过DMA、TG、机械性能等测试确定最佳热处理条件为氮气气氛,温度为440℃。对凝固浴浓度为20%和温度为30℃,且喷头负拉伸为-30%时的初生纤维经过热处理发现其强度、取向度和结晶度也都最高分别为19/CN.dtex-1、2.8%、51.44%。故基本确定喷头负拉伸为-30%,凝固浴浓度为20%和温度为30℃为最佳凝固条件。最后运用TGA-DTA/FTIR、Py/GC-MS、TGA-DTA/MS三大联用技术对杂环芳纶热降解过程及机理进行了详细的研究。结果表明,氮气气氛条件下杂环芳纶热降解主要发生在520-580℃之间且550℃失重速率最大,到1000℃纤维仍有60.18%的质量保留。在TGA-DTA/FTIR测试中释放物质包括HCN、NH3、NO2、NO、CO2、CO、H2O以及一些苯环化合物,其中C02的吸收峰最为强烈。这些释放物中的绝大多数在TGA-DTA/MS中同样被检测到。在Py-GC/MS的分析中,随着温度的升高,色谱峰的峰数变多,550-650℃之间裂解产物最多,说明550-650之间裂解程度最大,并且裂解产生的苯环化合物碎片记录了纤维的分子链断裂的过程。在空气气氛下,杂环芳纶热降解主要发生在500-680℃之间且600-650之间失重速率最大,到1000℃时,纤维几乎完全失重。同样NH3、NO2、CO2、H2O等小分子物质在TGA-DTA/MS的分析中被检测到,670℃附近,CO2质谱的离子流峰强度表现最突出,氧化作用明显。从而推出杂环芳纶的热降解大致过程为:在高温条件下从PPTA链节和杂环链节结合键的断裂开始,随着温度的继续升高,PPTA链节和杂环链节中的化学键相继断裂,同时出现自由基,发生重组或继续裂解,生产小分子产物。在空气气氛中,由于氧化作用,会诱导裂解并伴随生成大量的小分子氧化物,到670℃后苯环开环,纤维发生燃烧从而迅速失重。