加速聚丙烯腈纤维碱性水解效率的创新共聚物设计与湿法纺丝工艺研究

针对聚丙烯腈(PAN)纤维表面碱性水解效率低的问题，研究人员通过共聚丙烯酸(AA)单体合成P(AN-co-AA)共聚物，优化湿法纺丝工艺并调控洗涤pH值，成功制备高倍拉伸纤维。经12% NaOH溶液60°C水解20分钟后，FTIR和XPS证实COOH基团显著提升水解效率，为大规模制备高亲水性PAN纤维及表面功能化奠定基础。

　　

聚丙烯腈(PAN)纤维作为化学纤维工业的经典产品，凭借优异的化学稳定性和热稳定性，被广泛用作吸附和过滤的基质材料。然而，其分子链中的强极性氰基(C≡N)导致疏水性和反应活性受限，制约了功能化应用。传统碱性水解改性面临反应效率低、电子云密度高等瓶颈，而现有共聚物纺丝工艺又因缺乏中性单体导致加工性能下降。如何平衡改性效率与可纺性，成为突破PAN纤维应用边界的关键科学问题。

针对这一挑战，中国东华大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表创新成果，提出"共聚-纺丝-水解"两步法策略。研究首先通过水相悬浮聚合法引入丙烯酸(AA)单体合成P(AN-co-AA)共聚物，采用NaSCN湿法纺丝制备纤维；随后通过优化洗涤pH值解决溶剂残留难题，最终在温和条件下(12% NaOH, 60°C, 20分钟)实现高效表面水解。

关键技术包括：1) 水相悬浮共聚合成P(AN-co-AA)；2) 流变学指导的湿法纺丝工艺优化；3) 通过SEM、FTIR、XRD等多尺度表征技术解析纤维结构演变；4) 采用XPS和反向反射实验定量评估水解效率。

化学结构分析
¹H NMR证实共聚物中COOH成功引入(δ13 ppm特征峰)，FTIR显示1720 cm^-1处羧酸羰基振动峰。相较于纯PAN，P(AN-co-AA)的C≡N拉伸振动峰(2243 cm^-1)发生红移，证明AA单体通过电子效应降低了氰基电子云密度。

纺丝工艺突破
研究发现，无中性单体的P(AN-co-AA)溶液因羧基去质子化导致溶剂脱除困难。通过将洗涤浴pH降至2.5抑制COOH解离，使纤维拉伸比提升300%，突破传统共聚物难以高倍拉伸的限制。流变测试表明，5 wt% AA引入使溶液黏度增加47%，但通过调控凝固浴温度(0-5°C)仍保持良好可纺性。

水解效率提升机制
XPS定量分析显示，P(AN-co-AA)纤维水解后表面O/C比达0.32，是纯PAN纤维的2.1倍。反向反射实验证实其亲水接触角降低至28°，归因于预引入的COOH基团通过"电子拉动效应"激活相邻C≡N，使水解活化能降低34%。XRD显示水解后(100)晶面间距扩大0.38 ?，为官能团接枝创造空间位阻。

该研究创新性地将电子效应调控与纺丝工艺创新相结合，不仅建立了PAN纤维高效水解改性的普适性方法，更揭示了共聚单体电子效应对水解动力学的调控机制。所得HP(AN-co-AA)纤维表面活性位点密度提升至8.2 groups/nm²，为后续开发重金属吸附、生物传感等功能化应用奠定基础。团队提出的pH调控策略为其他含羧基聚合物的湿法纺丝提供了重要参考，而电子云密度调控思路可延伸至聚酰亚胺等高性能纤维的改性领域。这项工作从分子设计到工程化制备的全链条创新，对推动PAN基功能纤维的产业化具有里程碑意义。