【基金标书】2011CB606100-高性能芳纶纤维制备过程中的关键科学问题

项目名称： 高性能芳纶纤维制备过程中的关键科学问题 首席科学家： 余木火 东华大学 起止年限： 托部门： 教育部 上海市科委 二、预期目标 总体目标： 基于我国在国家安全、航空航天、经济建设和各种重大工程项目对高性能芳纶纤维的迫切需求，而国产芳纶纤维力学性能分散系数大、无法作为增强纤维使用，成品得率低、成本高、无法参与市场竞争的现状，开展芳纶纤维制备过程中的关键科学问题研究。通过揭示非均相高活性低温缩聚反应动力学规律，建立连续制备过程的分子链化学结构控 制方法；通过揭示在复杂外场作用下快速非平衡态刚性分子链的凝胶化与结晶的竞争机制及其多级凝聚态结构和微缺陷的形成机制、演变规律及其影响成品纤维最终结构和性能的内在规律，建立纺丝过程凝聚态结构和微缺陷调控方法。通过揭示芳纶纤维表 /界面结构对复合材料性能影响规律，建立芳纶纤维表 /界面结构设计与构筑方法体系。为制备高性能芳纶纤维提供规律性的认识和途径，为使我国高性能芳纶纤维的大规模稳定生产提供理论和关键技术支撑，为我国高性能芳香族纤维的跨越式发展奠定基础。具体包括： 1) 揭示和掌握非平衡态下液晶高分子的凝胶化与结晶竞争 机制、 合反应规律及其控制、高性能芳纶纤维多级微观结构和微缺陷的形成机理、结构演变规律和控制、结构与性能关系等基本科学规律；形成我国独特的高性能芳纶纤维结构设计和调控理论体系；构筑包括 合物连续可控制备方法、芳纶纤维凝聚态结构和微缺陷控制、表 /界面结构调控方法的芳纶纤维结构控制理论和技术体系； 为我国高性能芳纶纤维的大规模稳定生产提供理论和关键技术支撑，为我国高性能芳香族纤维的跨越式发展奠定基础 ； 2) 建立我国在芳纶纤维结构设计、纤维成形理论、结构演变规律和控制等理论研究和工程技术研究方面的人才队 伍和研究基地，为我国有机高性能纤维跨越式发展，设计开发性能更优的升级换代品种，赶超国际先进水平奠定基础； 3) 与苏州兆达特纤、神马集团、烟台氨纶、河北硅谷和晨光化工等产业化研究单位紧密结合，及时将阶段性研究成果应用于生产实践，为生产线建设和改进提供理论支撑，尽快实现高性能芳纶纤维的国产化，满足国家在国防、航天、航空及经济建设等领域的迫切需求。纤维性能达到国外主要产品的性能指标。 芳纶纤维力学性能指标（ 9）：断裂强度 20cN/弹性模量 540 cN/ 纤维纤度： 160断裂伸长率： ；芳纶纤维稳定生产指标：强度离散系数 5%，纤度离散系数 5%，产品得率 85%以上。 高模量芳纶 纤维力学性能指标 ( 相当于 9) ：弹性模量 1234cN/179纤维纤度： 160断裂伸长率： 芳纶纤维稳定生产指标：强度离散系数 5%，纤度离散系数 5%，产品得率 85%以上； 4) 在掌握芳纶制备过程结构调控基本规律的基础上，将研究成果应用于高性能芳纶纤维的成套生产装备设计，对芳纶规模化生产中提高成品率和降低成本提供理论和技术支撑，提升我国芳纶产业的国际竞争力，促进我国芳纶产业健康发展，为我国化学纤维产业的升级换代开辟高技术高附加值产品的新领域。 五年预期目标 : 1) 在 备的高分子化学、物理化学和聚合反应工程研究的基础上，形成非均相高活性缩聚反应控制及其连续聚合反应过程的分子链化学结构控制理论及其关键技术；建立高粘度非均相高活性连续缩聚反应工程仿真模型； 2) 提出能描述 2相关体系复杂的流变行为及本质的理论和模型，为工业生产确定纺丝和聚合工艺提供理论和技术支持，并为纤维材料相态结构控制提供新方法； 3) 揭示在复杂外场下快速非平衡过程中，刚性链多级凝聚态和微缺陷的形成机理及其结构演变规律；形成液晶纺丝过程刚性链在外场下的结晶、取向等相转变的基本理论； 4) 在聚合方面取得 合反应的关键工艺过程参数，设计并制造连续聚合反应装置和配套的聚合工艺关键技术，指导实际生产线的建设，取得量产优质的聚合体（比浓对数粘度为 并且质量稳定； 5) 对刚性链聚合物液晶热力学进行 深入研究，建立刚性链聚合物快速溶解制备高黏度纺丝溶液和促进气液界面破坏的高效脱挥技术。建立纺丝过程的在线原位多级微观结构变化表征的研究方法；在深入理解刚性链凝聚态结构和微缺陷形成机制和演变规律的基础上，建立纺丝过程凝聚态结构、微缺陷和表面结构控制技术； 6) 揭示芳纶纤维增强复合材料界面的微细观力学失效机制和芳纶纤维复合材料界面结构与复合材料性能关系的规律，形成芳纶纤维表面微结构、界面相、强韧化的多尺度多级进力学设计原理与方法；为我国芳纶纤维复合材料的界面结构设计和调控提供关键理论支撑； 7) 建立芳纶纤维复合材料界面 结构设计与失效特性的多尺度多级进力学分析理论；形成复合材料界面结构优化设计、力学性能多层次分析与失效行为的计算平台；发展界面力学特性与损伤演化的微纳观力学实验表征原理与方法；揭示芳纶纤维复合材料界面演化与破坏的环境效应特征；形成芳纶纤维复合材料界面结构设计与失效机制等方面的专有技术； 8) 建立针对不同树脂基体界面的芳纶纤维表面结构构筑技术，包括等离子体表面处理技术、共聚单体表面结构构筑技术、共混纺丝构筑表面结构技术等。 阶段性目标 ： 研究将分两个阶段进行，第一阶段（ 2011主要对芳纶纤维结构设计与 控制的理论和相关技术进行初步研究，揭示纤维宏观性能和多级微细观结构的基本关系，发展微观结构和基本性能参数的实验表征方法，搭建好具体主攻内容的软硬件工作平台；第二阶段（ 2013系统深入的高级研发阶段，主要针对关键科学问题展开攻关，全面实现项目的五年预期目标。 第一阶段目标：（ 2011 1）开展高反应活性低温溶液缩聚反应科学规律研究，搜集和实验测定聚合工程仿真需要的动力学和热力学参数；探索研究原位相变移热方法及其体系；探索 续聚合双螺杆反应器的工艺和设备优化技术； 2）建立纺丝 过程的在线原位多级微观结构变化表征的研究方法；开展刚性链凝聚态结构和微缺陷形成机制和演变规律的研究，为建立纺丝过程凝聚态结构、微缺陷和表面结构控制技术提供有效的研究手段； 3） 针对芳 纶 纤维复合材料纤维 表面 微结构 、界面结构、界面性能、失效机制、环境效应进行详细调研，确定明确的研究思路与技术方案；提出多 尺度多级进力学分析模型 ； 探索 芳纶纤维复合材料 的界面设计、形成、演变及破坏机理；研究界面结构与力学性能之间的多参数耦合作用关系。 揭示 芳纶纤维增强复合材料界面的宏微纳观力学失效机制 ； 4） 建立芳纶纤维失效和破坏过程的 原位结构表征方法和实验设备； 建立芳纶纤维表面形貌结构、化学结构和界面结构的表征方法； 建立界面失效及其环境效应的研究手段 ； 5）针对不同树脂基体，开展芳纶纤维表面结构构筑技术的研究，包括等离子体表面处理方法、共聚单体表面结构构筑方法、共混纺丝构筑表面结构方法等； 6） 揭示芳纶纤维微结构特征与其增强复合材料抗冲击 /抗损伤性能之间的相互关系。研究复合材料的抗冲击吸能原理，系统地表征复合材料抗冲击特性。 第二阶段目标：（ 2013 1）在 备有机化学、物理化学和聚合反应过程系统研究的基础上，形成 非 均相高活性缩聚反应控制及其连续聚合反应过程的分子链化学结构控制理论；建立高粘度非均相高活性连续缩聚反应工程仿真模型； 2） 系统研究 2相关体系的液晶行为和液晶态结构；研究分子链结构对刚性链分子液晶态结构及流变行为的影响；研究液晶态流体的固化和相变过程；建立能描述 变行为的理论模型； 3） 建立针对不同树脂基体界面的芳纶纤维表面结构构筑技术，包括等离子体表面处理技术、共聚单体表面结构构筑技术、共混纺丝构筑表面结构技术等方法等； 4） 揭示 芳纶纤维增强复合材料界面的微纳观力学失效机制和 芳纶 纤维复合材料界面结构与复合材料性能关系的规律， 形成 芳纶纤维 表面 微结构 、界面相、强韧化 的 多尺度多级进力学 设计原理与方法；为我国 芳纶纤维复合 材料的界面结构设计和调控提供关键理论支撑； 5）建立复合材料界面结构优化设计、力学性能多层次分析与失效行为的计算平台；发展界面力学特性与损伤演化的宏细微观力学实验表征原理与方法；揭示芳伦纤维复合材料界面演化与破坏的环境效应特征。为我国芳纶纤维复合材料的界面结构设计和调控提供关键理论支撑； 6） 将基础性研究成果或者单元研究结果在吨级试验线上实施和集成，并及时应用到中试线和工业 生产线上； 通过关键技术和关键设备的突破，实现高性能芳纶纤维的国产化稳定生产，产品的性能指标全面达到国外同类产品水平，以满足国家在国防、航天、航空等领域的迫切需求； 7）将研究成果应用于高性能芳纶纤维的成套生产装备设计， 提高国产化高性能芳纶纤维的在质量和成本方面的竞争力，为我国化学纤维产业的升级换代开辟高技术、高附加值产品的新领域。 三、研究方案 项目以国家重大战略对芳纶纤维及其复合材料迫切需求为牵引， 针对生产和质量不稳定，围绕产业化稳定生产和跨越式发展的目标，提炼出 4 个科学问题：1）多相复杂体系中高 活性缩聚反应规律及其连续制备过程的分子链结构控制； 2）快速非平衡过程中刚性链溶致液晶相分离与结晶的竞争机制； 3) 复杂外场中刚性链凝聚态结构及其微缺陷的形成机制、演变规律和控制 ； 4) 高性能芳纶纤维及其复合材料界面失效机制、界面结构设计与调控。 项目围绕 这 四个科学问题， 设置 了 6 个研究课题 ： 1）非均相高活性缩聚反应动力学及连续制备过程的分子链结构控制； 2）多组分体系中溶致液晶的流变行为、相转变及分子作用机制； 3）复杂外场中芳纶纤维凝聚态结构和微缺陷形成机制、演变规律与调控； 4）芳纶纤维结构与性能相关 性及多重结构表征方法的研究； 5）芳纶纤维及其增强复合材料的表 /界面结构设计、力学性能和失效机理； 6）新一代高性能芳香族纤维结构设计理论与制备方法 。 以分子链化学结构、刚性链凝聚态结构、微缺陷结构和表面结构的形成机制及其在复杂外场下的演变规律为贯穿全程的主线，以多级微观结构设计与调控方法为目标，围绕纤维制备中的聚合物可控合成、液晶、微纤、结晶、取向和缺陷等结构的形成和演变规律进行深入系统的研究，建立对构效关系的规律性认识，为制备高性能芳纶纤维提供科学基础和技术支持，并进而研究界面结构设计和纤维表面结构构筑等 问题，以满足复合材料对国产高性能芳纶纤维的迫切需求。 综合考虑非均相高活性缩聚反应的化学、物理化学和聚合反应工程的要素，结合优质高性能芳纶纤维对聚合物链结构的要求，研制出分子结构均匀、分子量及其分布合理、可纺性好的 过液晶流变学理论与纺丝动力学理论的研究，建立检测分析技术平台，结合现代先进的表征技术和仪器，对成纤过程中各级结构的形成机制及其在复杂外场下演变规律的研究，用全程结构控制的理念，采用先进的干湿法液晶纺丝技术，选用优化工艺参数，制得性能良好的纤维；通过对芳纶纤维增强复 合材料界面的微观力学、界面失效机制及其环境效应的系统研究，建立界面结构设计平台，并针对不同的树脂基体，设计生产一系列具有特定表面微结构的芳纶纤维品种，并应用于高性能复合材料。项目具有如下 创新点与特色： 1) 本项目的特色是以国家重大需求为牵引，针对芳纶纤维生产过程不稳定的难题，提炼和解决关键科学问题，理论研究的阶段性成果及时在生产线中论证，并进一步修正和提高理论，从而形成对芳纶纤维生产及其复合材料的应用具有指导意义的理论体系；同时又开展前沿研究，为跨越式发展奠定基础； 2) 以分子链结构、凝聚态结构、微缺陷结构和表 /界面结构的设计与控制为核心，将多级结构对纤维性能的影响与制备过程中复杂外场的作用关联考虑，强调加工过程对多尺度结构与性能影响的复杂性；揭示在复杂外场下刚性链多级凝聚态结构（结晶、取向、无定形结构、微纤结构和微缺陷结构）的形成机理和在复杂加工过程中的演变规律； 3) 建立复杂体系、快速化学反应过程和快速非平衡相转变过程的仿真模型，包括 非均相高活性双螺杆连续缩聚反应过程的仿真聚合反应模型和液晶纺丝过程的凝胶化 /结晶相转变模拟计算方法； 4) 以全程结构控制为基本理念，建立复杂外场下芳纶纤维的结构演变规律的定量表征分析方法 和新检测技术；用同步辐射 X 光散射 、纳米 级 X 显微技术等先进科学研究手段在线原位研究动态过程中多级微观结构的演变规律。在我国同步辐射装置上实现动态原位表征高性能纤维结构 及其 演化过程，为准确定量表征高性能纤维结构 及微 缺陷 提供 发展新方法 ； 5) 基于不同 树脂基体界面，设计芳纶纤维表面化学和形貌结构，并在纤维成型过程中采用共聚和共混纺丝过程相分离形成特殊表面。 项目完成的好坏，很大程度上决定于研究人员的，本项目高度重视队伍的组 成 。项目 以纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）建立的高性能纤维制备和分析检测技术平台为依托，以我 国芳纶纤维研发的优势单位为骨干，以有实力的企业为技术试验基地，通过优势互补，强强联合。项目组织精干队伍，由高分子化学、聚合工程、高分子物理、芳纶纤维及复合材料等各领域中基础研究力量较强，又有相当实践经历的单位（以高等学校和中科院为主）组成，遴选各相关领域中造诣较深的中青年科学家担任课题负责人和学术骨干； 承担单位纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）、清华大学、中科院北京化学所、晨光化工研究院等早在“六五”及“七五”期间已承担了芳纶纤维的国家攻关项目，有 30 多年历史积淀 , 建立了结构合理的人才队伍。 承担单 位东华大学建有我国纺织行业唯一的国家重点实验室 纤维材料改性国家重点实验室，完成了芳纶 1313 基础研究并实现工业化进程，在江苏和上海建立了纤维生产厂和芳纶 1313 纸生产厂，该项目荣获 2008 年上海市科技进步一等奖。率先于 2006 年建立国内首家年产 100 吨芳纶 1414 纤维中试生产线，性能与美国的 近，正在建设 500 吨生产线。这些工作为本项目打下良好基础。 承担单位清华大学在芳纶 研制方面具有扎实的研究基础。 1976 年开始对位芳纶的研制工作。是国家 “ 六五 ” 和 “ 七五 ” 芳纶 -科技攻关项目的 承担单位。本研究工作从具有较好研究基础的 发，所提出的相分离及相变方法进行芳纶原位聚合工艺，进行了 1 升、 2 升及 10 升的芳纶小试、中试研究，所制备出的 比浓对数黏度已达到 g 以上， 140 升工业中试试验装置现已搭建完毕。所提出的相分离及相变方法进行芳纶原位聚合工艺已申请国家发明专利。 承担单位北京大学化学学院所在的“北京分子科学国家实验室”，在周其风院士的带领下，对高分子液晶开展了系统深入的研究，特别是周院士提出并用实验论证的甲壳型液晶高分子理论，在国际高分子界有很大的影响和地位。北京 大学高分子学科在高分子合成与表征方面具有雄厚的基础和历史积淀，为本项目新型共聚单体的设计与合成、新型共聚物的合成与表征、新芳香族高性能纤维结构的设计与制备提供良好的条件。 承担单位华东理工大学反应工程国家重点实验室，在聚合反应工程仿真模型方面的研究具有雄厚的基础和历史积淀，成功为聚酯等工业装置的扩大生产容量提供非常成功的理论和技术指导。为本项目聚合反应工程的仿真模型及其聚合反应工艺与设备研究奠定了基础。 承担单位南京大学微结构国家实验室在高分子凝聚态结构方面的理论模拟研究处于国际先进水平，正在开展复杂外场作 用下分子链凝胶化、结晶等相转变行为的理论模拟研究。为本项目聚合过程和纺丝成型过程凝胶化、结晶等相转变及其凝聚态结构形成机制的研究奠定良好基础。 承担单位中山大学在热致性高分子液晶方面的研究有雄厚的基础和历史积淀，近年来取得很大的进展，热致性液晶高分子用于制备高性能纤维由于不需要溶剂、没有溶剂回收纯化的成本，同时其液晶性能可望得到高取向的纤维，为本项目的低成本有机高分子纤维的研究开发奠定良好基础。 承担单位中国科学院北京化学研究所，在 国家 863 碳纤维专项支持 下， 建立了高性能纤维 表征技术公用平台 ， 该平台的 主要研 究人员参加了本项目的队伍 ，集合了国内在材料结构、形态及性能表征的优势，针对高性能纤维研发和生产中的问题，建立了全面的聚合物微观结构的表征方法和手段，包括微缺陷的定量表征、晶区和非晶区取向表征、表面粗糙度的定量表征等新的表征方法，已撰写完成了约 40 项与碳纤维有关的检测方法的内部标准，形成了具备系统的、先进的检测设备和分析方法的技术平台，已为我国高性能碳纤维研发和生产提供了有力的支持，同时也为深入研究芳纶纤维打下了科学基础。 承担单位中蓝晨光化工研究院有限公司（简称中蓝晨光院）在芳纶领域具有良好的基础。通过“六 五”、“七五”攻关，完成了 50t/a 芳纶 1414 间歇法树脂中试、 30t/a 连续法中试、 1 5t/a 纺丝中试。 承担单位清华大学 “破坏力学教育部重点实验室”依托于清华大学航天航空学院 ,具有先进的实验及分析条件。在航空航天领域，开展了复合材料和结构的优化设计方法、超轻质材料的结构形式和结构件模型、超轻质材料的本构模型和失效机理、长四乙运载火箭仪器舱强度与屈曲分析、预警飞机雷达天线罩的层间应力分析等多项课题研究。 承担单位北京航空航天大学的空天材料与服役教育部重点实验室和北京市聚合物基复合材料重点实验室，具有多 年从事航空、航天先进树脂基复合材料结构设计、细观力学建模、表征、评价、制备等方面基础和经验。 项目研究得到正在开展芳纶产业化系统工程研究 单位 的支持，包括苏州兆达特纤科技有限公司、中国神马集团责任有限公司、河北硅谷化工有限公司、中蓝晨光化工研究院等。 四、年度计划 第一 年 度 1、 研究探索原位相变移热体系的组成； 设计异向双螺杆的结构 及其热 /质传递； 设计加工可以在关键阶段可以取样的双螺杆反应 ； 搜集和实验测定聚合工程仿真需要的动力学和热力学参数； 研究建立 双螺杆反应器物理模型 。 制备具有不同分子链长度的 究 子链的相互作用机理 ；通过实验研究确定不同聚合物分子量及分子量分布、支化、交联结构2系的基础液晶态参数 ； 设计合成 3 个侧基具有活性引发基团的对苯二甲酸或对苯二胺衍生物，优化单体的合成路线和反应条件，提高产率和纯度；运用 软件计算、模拟所设计引入的新型单体及其共聚物的结构与分子动力学特征；通过分子结构设计，筛选并优化出最佳第三单体，完成多元低温共缩聚反应研究 ； 2、 建立浆液 制作过程中液晶溶液内部缺陷的表征 和研究方法 ，提出能描述2相关体系复杂的流变行为及本质的理论 和模型； 研究在液晶态固化过程中的凝胶 /结晶的竞争关系 ； 3、 建立芳纶纤维失效和破坏过程的原位结构表征方法和实验设备，建立芳纶纤表面形貌结构、化学结构和界面结构的表征方法；建立界面失效及其环境效应的研究手段； 采用共聚、共混、等离子表面处理方法筑芳纶纤维表面结构； 设计并制备 典型界面结构试样，搭建环境效应试验平台 ；研究一般复合材料界面 结构 损伤 演化与 失 效 的计算模拟方法，建立复合材料冲击破坏的计算模型，做好材料疲 劳及冲击试验的准备， 建立基于计算力学的复合材料损伤、失效及冲击破坏模型。 第二 年 度 1、 研究 续聚合双螺杆反应器的工艺和设备优化技术 ；探索在聚合过程中相态和分子链结构的变化规律；研究探索原位相变移热体系的组成及其对聚合反应动力学和分子链结构的影响； 研究建立 学流变模型 ； 研究建立 均相高活性缩聚反应动力学模型 ； 研究 系发生结晶、凝胶化等相转变的基本规律及其影响因素。合成一系列具有不同分子量和分子量分布的 品，通过在聚合物体系中少量引入具有不同结构的 第三单体，研究分子结构参数对描述液晶态参数的影响规律。研究 2系液晶态固化后的凝聚态结构、分子链取向、分子相互作用及相分离 /凝胶化 /结晶的竞争与耦合。 研究 在复杂外场下快速非平衡过程中，刚性链多级凝聚态和微缺陷的形成机理及其结构演变规 律；形成液晶纺丝过程刚性链在外场下的结晶、取向等相转变的基本规律 ； 2、 在同步辐射光源的 站建立在线装置，原位研究初生纤维成型过程中结构演变规律与牵伸条件的关系，包括升温程序，牵伸速度等与纤维形态结构、力学性能的关系 ； 应用 谱 、 X 射线衍射、同步辐射 X 光散射、纳米级 X 显微技术， 研究 高性能芳纶纤维分子结构和凝聚态结构表征体系 ，准确和详细地表征芳纶的微观结构；应 用同步辐射等先进科学研究手段针对纤维中微缺陷进行二维 表征，通过对实验数据的分析，得到纤维内部缺陷的数量、尺寸大小及其分布等重要信息 ； 3、 研究 纤维表面结构在臭氧、辐射等复杂环境中的演化 ；研究 纤维的表面结构和 复合材料 界面结构二者之间的内在关系 ； 研究 各种界面结构的 复合材料在复杂环境下的 老化 情况及老化规律 ； 研究芳纶纤维增强复合材料的界面疲劳和破坏特性 ，建立复合材料界面破坏准则； 4、 制备分子量不同的、侧基含有活性取代基的 以取代的 大分子引发剂 ，制得侧基长度和组成不同的新共聚物高分子 ； 确定新型共聚酰胺非液晶纺丝聚合工艺，制备出最具可纺性的纺丝原液 ；探讨新型单体的结构及其共聚比例对链的几何构型、堆积方式、取向等聚合物特征的影响，并根据分子模拟计算结果及总结归纳的相关理论进一步指导新单体的设计合成。 第三 年 度 1、 深入研究 续聚合双螺杆反应器的工艺和设备优化技术 ， 为连续聚合反应的工艺体系及其关键设备的设计提供理论依据 ； 深入研究原位相变移热体系及其对聚合反应动力学和分 子链结构的影响； 2、 研究双螺杆反应器的流场 拟； 深入研究 学流变模型和均相高活性缩聚反应动力学模型 ； 用反应和扩散动力学理论，对聚合过程相分离特点及行为进行深入的研究，深入理解相分离发生的机制及控制条件及其与聚合反应的关系。研究液晶态的相结构、分子链取向和分子相互作用；研究包括温度、浓度、剪切速率等对 2究各种分子结构因素对2变行为的影响规律。研究液晶态固化和相转变后的凝聚态结构、形成机制、影响因素及其控制方法 ； 3、 表征固 体初生芳纶纤维的聚集态结构及缺陷结构，研究热处理的温度、热处理的速度、热处理张力大小对纤维凝聚态结构的影响，探索出在拉伸剪切应力场和温度场共同作用下固体纤维中刚性链及其凝聚态结构的运动变化规律；研究固体纤维中刚性链及其凝聚态结构的运动变化规律对芳纶纤维力学性能的影响规律，优化热处理工艺，为制备高强度高模量芳纶纤维的打下科学基础，同时为构筑芳纶纤维的高取向低缺陷结构能提供理论指导 ； 研究 芳纶纤维及 三种基体的纤维 增强复合材料的 常温基本力学性能和高低温力学性能；研究 臭氧，紫外线，热疲劳 等复杂 环境效应对 纤维增强 复合材 料 基本 力学性能的影响 ； 研究不同基体的芳纶纤维增强复合材料抗冲击性能 ； 应用透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜、 方法，进行表面结构的定性和定量表征 ，研究纤维结构性能的相关性研究； 4、 根据已合成的新共聚物的性能以及分子计算等理论基础，进一步 改善分子设计合成来提高新共聚物的可纺性和 纤维性能；设计合成多种含有芳杂环的苯二胺以及刚性的蝶烯二胺单体； 将上述的新单体作为第三单体，制得含量不同的 究确定非液晶纺丝的喷丝、凝固、 塑化拉伸及水洗等工序的工艺条件，完成纺丝液的凝胶化机理研究，研究 新型芳纶纤维成型过程 中的聚集态结构衍变过程。 第四 年 度 1、 研究原位相变移热体系的组成在双螺杆连续反应器体系中实施方法；深入研究双螺杆反应器的流场 拟；完善 均相高活性缩聚反应动力学模型；构建双螺杆反应器 续缩聚过程模拟平台；将阶段性研究成果进行综合，并在生产线进行试验论证 ； 研究聚合反应体系中 缩聚的溶剂种类及比例的关系及聚合过程中溶剂与聚合物的相分离行为 ； 2、 结合分子统计理论和动力学理论等建立能描述 变行为的理论和模型。研究并模拟纺丝过程中液晶相转变对纤维微观结构的影响 ； 建立并逐步完善自浆 液制备经纺丝成型 进而进行热处理过程的数学模型 ，结合同步辐射的 法，建立能够对微米孔结构的立体成像的方法，模拟孔结构参数，并建立其与力学性能的关系。 3、 原位研究芳纶纤维在外场作用下 微缺陷产生、扩展及其破坏机制， 研究纤维在高温载荷作用下会发生蠕变等一系列变化过程中微观结构演变规律 ； 将 微观 结构分析方法用于纤维破坏过程的原位结构表征，研究在载荷和环境的作用下，各种结构和性能的芳纶在破坏过程中多级微观结构和微缺陷的演变和发展 ；建立芳纶纤维复合材料结构拓扑优化和尺寸优化设计方法 ； 研究复合材料界面抗老化的控制 方法；研究复合材料冲击变形机制和破坏型式，以及与纤维表面结构之间的相互作用； 建立复合材料冲击破坏准则； 4、 研究间苯二甲酰氯和间 苯二胺等非直线型单体对聚合物的凝胶化、结晶取向， 可纺性 和纤维性能的影响 ；研究封端剂苯甲酰氯和苯胺对聚合物分子量及其分布进行控制作用；研究加入封端剂作用下低温溶液反应、聚合动力学、链生长机理，以及聚合过程中的凝胶化与结晶、相转变等过程；研究热处理过程中微观水平的变化对宏观性能的影响，确定非液晶纺丝的热处理工艺，优化热处理工艺条件。 第五 年 度 1、 建立高粘度非均相高活性连续缩聚反应工程仿真聚 合反应模型，研究各工艺参数对聚合反应过程和分子链结构的影响，形成非均相高活性缩聚反应控制及其连续聚合反应过程的分子链化学结构控制 体系， 用于指导生产实践；将研究成果应用于生产线，指导生产工艺的设计，实现 研究延缓 子链从反应体系中结晶析出或凝胶化的方法，为连续制备过程中调控相转变和微区均匀化提供理论依据。提出刚性链液晶性能与分子链结构的关系，为设计制备高取向的液晶聚合物提供理论依据。在系统总结以上研究成果的基础上，最终得到一套控制 料形态结构的理论和方法 ； 2、 建立 对 芳纶 纤维成 型 过程中多级结构 控制方法，对国内高强芳纶行业形成强力的理论支撑。根据前期研究结果，指导生产过程，完善纤维制作过程的关键装备设计，同时检验前期理论研究的结论并加以必要的修正 ； 3、 建立 适 用于芳纶纤维 复 合材料 宏 细 观 界 面结构的多 尺 度 多级 进力 学 模型 ； 建立准确描述芳纶纤维增强复合材料表 /界面结构与力学性能之间作用关系的力学模型； 对复合材料 界面 结构以及力学性能的老化过程进行 数值模拟 ， 用于复合材料的寿命预测；利用所建立的计算模型对复合材料界面损伤、失效和冲击破坏进行模拟；建立可以描述复合材料损伤、失效和冲击破坏的计算模型，并 能重现损伤和破坏过程； 4、 研究 聚物的热致液晶性、加工性、纤维性能，筛选适合熔融纺丝的新型高性能热致性液晶，深入了解共聚物的化学结构与性能间的关系；优化整套非液晶纺丝工艺参数，完成新型共聚酰胺溶液纺丝工程化的稳定，提高产品的质量稳定性。 一、研究内容 1、 非均相高活性缩聚反应动力学及连续制备过程的分子链结构控制 非均相高活性缩聚反应体系的反应活性和反应热的调控方法研究。聚合过程强放热与溶液粘度迅速提高的强耦合，造成流动迅速变差继而使得传热变差，造成聚合物分子量控制不稳定。解决这种强耦合问题的核心是利用 相分离及原位相变移热的方法使流动、传递耦合解耦，变单相反应为多相反应， 在 续聚合反应过程， 放热量大，反应快，放热集中，容易形成 温度、浓度和相态不同的微区，从而导致分子链分布和凝胶结构。研究 设计异向双螺杆的结构，达到强烈界面剪切效果，不断更新反应界面和强制反应体系达到微区域均匀性，并通过双螺杆结构设计， 可望合理准确匹配反应热及其热 /质传递，为连续聚合反应的工艺体系及其关键设备的设计提供理论依据。 聚合反应体系性质及相分离行为研究。深入系统研究聚合过程中溶剂体系与刚性分子链的相互作用机理；在热力学理论 相图的指导下，利用分子模拟等理论方法，对聚合过程相分离行为进行深入的研究，理解相分离发生的机制、控制条件及与共聚合反应的关系。 设计制造在关键阶段具有可以取样和在线分析测试窗口的双螺杆反应器，建立聚合过程在线监测分析方法，研究连续聚合过程中各关键阶段的分子链结构、反应热、相态结构等演变规律。研究国产生产线中，关键工艺和设备参数对产物分子链结构的影响规律。 建立非均相高活性双螺杆连续缩聚反应过程的仿真聚合反应模型，从而研究各重要工艺和关键设备参数对聚合反应过程及其分子链结构的影响，为 关键设备的设计提供指导。 2、 多组分体系中溶致液晶的流变行为、相转变及分子作用机制 针对 合过程中快速凝胶以及随着分子链增长很快从溶剂中析出的问题，研究 子链增长过程中的相转变以及反应体系的流变行为，从反应体系各组分间分子相互作用的角度研究减缓反应体系凝胶化程度，研究提高子链在溶剂体系中的稳定化方法。 分子链高度取向的微纤结构是高性能芳纶纤维的重要结构特征，这种取向结构源于纺丝液晶流体在剪切作用下的分子链取向。在热力学理论相图的指导下，采用分子模拟与模拟化合物体系实验相结合的研究 手段，系统研究 2转变和流变行为，以及体系内 子及与其他组分间的分子作用机制。研究刚性链聚合物液晶态的结构、相转变和流变行为等与分子结构的关系（如不同分子量 系的临界浓度、清亮点、取向有序度、相分类点等参数及其影响规律）；研究 溶解、输送、喷丝及凝固等过程中的流变行为、相转变规律及其与复杂外场作用的关系。提出能描述 2相关体系复杂的流变行为及本质的理论和模型，为工业生产确定纺丝和聚合工艺提供理论和技术支持 ，并为纤维材料凝聚态结构控制提供新方法。 3、 复杂外场中刚性链凝聚态结构和微缺陷形成机制、演变规律与调控 建立 同步辐射等具有 高时空分辨率的多级微观结构研究平台和分子模拟计算方法，研究纤维成型快速非平衡过程中的相变行为及其多级微观凝聚态结构和微缺陷形成机制和演变规律。 用离线和在线结构分析方法研究在流体制备、剪切流动、干喷、凝固、拉伸、后处理等过程的凝聚态结构和微缺陷的形成机制及其演变规律。 纺丝流体中的微气泡的存在将在最终纤维中形成致命的孔洞缺陷，因此纺丝流体中气泡含量及其尺寸分布是高性能芳纶纤维制备的关键核心问 题之一。深入系统研究剪切流动对高粘度刚性链液晶体系粘度、气固界面的形成与破坏动力学的关系，建立纺丝流体微气泡的控制与在线监测的方法。 研究干喷阶段的 分子链取向，剪切诱导结晶和 凝胶化等复杂的相转变 及其与纺丝液组成、温度场、拉伸场等相关性；研究纤维凝固过程中，纺丝液晶流体的分子取向、亚稳态晶体凝胶、疑固液组成等对纤维的结晶、取向、孔隙、皮芯等凝聚态结构和微缺陷形成的影响，为多级凝聚态结构和微缺陷控制提供理论指导。 研究在热牵伸过程中，初生纤维的取向分子链、结晶、无定形区、孔隙等结构单元在温度和应力场作用下的运动 和变化规律，如分子链取向与解取向的平衡与控制等，为构筑高取向低缺陷多级凝聚态结构提供理论指导。 研究国产芳纶纤维制备过程中各关键阶段，多级微观结构和微缺陷的形成和发展；研究关键生产工艺和设备对多级微观结构和微缺陷形成和演变的影响；研究纤维质量和生产稳定性与微观结构的关系；进而建立关键关键工艺参数和关键设备与纤维质量和生产过程稳定性的关系。 4、 高性能芳纶纤维结构与性能相关性及多重结构表征方法的研究 应用 电子能谱、 谱、热分析、 X 射线衍射、同步辐射 X 射线显微技术， 建立有机高性能 芳纶纤维分子结构和凝聚态结构表征体系， 如 分子量及其分布 、 线性、支链、交联等结构参数表征；准确和详细地表征芳纶纤维的微观结构，包括聚集态结构， 如 分子链取向 、 晶体取向 、 晶体尺寸及其分布 、 微纤尺寸及其分布 、 无定形区结构 、 孔隙尺寸及其分布等结构。 应用 透射电镜（ 扫描电镜（ 扫描隧道显微镜和原子力显微镜（ 电子能谱检测方法， 界面微缺陷的激光散斑动态分析新技术等， 建立 高性能芳纶纤维表 /界面结构定量表征体系， 如表面 化学官能团 、表面 形貌结构、纤维表面粗糙度定量表征、纤维的径向组成 表征等。在此基础上通过对表面形态结构形成机理的研究和对纤维表面形态结构的控制，达到材料性能的最优化。研究 纤维失效及其环