[發(fā)明專利]一種熔融紡絲制備碳納米管聚丙烯腈纖維的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110200402.2
• 申請日: 2011-07-18
• 公開（公告）號: CN102304786A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設計）人: 余木火;榮懷蘋;韓克清;田銀彩;王丹;覃輝林
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D01F8/08
• 分類號: D01F8/08;D01F8/18;D01D5/08;D01D5/12
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達;謝文凱

技術領域

本發(fā)明屬于碳納米管聚丙烯腈纖維的制備領域，特別涉及一種熔融紡絲制備碳納米管聚丙烯腈纖維的方法。

背景技術

聚丙烯腈(PAN)纖維具有良好的耐熱、耐光及耐候性，在服裝和產業(yè)等領域多有應用，是較早實現(xiàn)工業(yè)化生產的合成纖維之一。作為高性能碳纖維的前驅體，聚丙烯腈原絲的生產和改性也受到了國內外極大的關注。

聚丙烯腈的一個主要性質是其高熔點(317℃)，在加熱過程中還未熔融就已分解，因此只能用溶液紡絲生產聚丙烯腈纖維及其復合纖維。已工業(yè)化的濕法紡絲和干法紡絲，都要使用大量的有毒或有腐蝕性的化學溶劑，而且在生產過程中必須進行溶劑的回收和凈化，纖維水洗和干燥及“三廢”處理。如果能夠實現(xiàn)聚丙烯腈復合纖維的熔融紡絲，不但節(jié)約溶劑消耗，而且省去了溶劑回收工藝和設備及水洗過程，可以大大降低生產成本，消除由于使用溶劑引起的嚴重環(huán)境污染問題。

碳納米管(CNT)具有優(yōu)異的力學、光學和熱學性能，成為當今研究的熱點之一。基于聚丙烯腈(PAN)基碳纖維良好的綜合性能，PAN/CNT復合纖維的研究也日益引起人們的關注。然而迄今多數(shù)的研究大都集中在復合纖維濕法紡絲、干法紡絲以及干濕法紡絲方面，對PAN/CNT復合纖維熔融紡絲方法研究尚屬空缺。

申請?zhí)枮镃N101250770A的專利公開了通過濕法紡絲制備碳納米管聚丙烯腈復合纖維，紡絲原液經過濕法或者干濕法紡絲工藝制備碳納米管聚丙烯腈復合纖維，然后經過DMF或者DMSO凝固浴，水洗、牽伸、熱定型之后得到復合纖維，但是這種方法要使用大量有毒或者有腐蝕性的化學溶劑，生產成本較高。更為重要的是濕法紡絲制備的碳納米管聚丙烯腈復合纖維，碳納米管相當于聚丙烯腈的質量百分數(shù)為0.1～20％，碳納米管在整個組分中含量相對較低，不利于復合纖維力學性能的提高，

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種熔融紡絲制備碳納米管聚丙烯腈纖維的方法，，該方法成本低，減少環(huán)境污染，適合于工業(yè)化生產；制得的纖維能夠高倍拉伸，力學性能優(yōu)異，并且纖維截面皮芯結構差異小。

本發(fā)明的一種熔融紡絲制備碳納米管聚丙烯腈纖維的方法，包括：

(1)將碳納米管分散在離子液體中，加入聚丙烯腈并混合均勻得混合溶液；其中，碳納米管與聚丙烯腈的質量比為4∶1～1∶10，碳納米管與聚丙烯腈的總質量與離子液體的質量比為1∶1～1∶100；

(2)將上述混合溶液通過熔融紡絲法得聚丙烯腈碳納米管初生纖維，將初生纖維進行牽伸、萃取，然后熱定型、卷繞即得聚丙烯腈碳納米管復合纖維。

所述步驟(1)中的碳納米管是單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或幾種。

所述步驟(1)中的離子液體為二取代咪唑型離子液體。

所述二取代咪唑型離子液體為氯化1-甲基-3-己基咪唑鹽([EMIM]Cl)、氯化1-甲基-3-丁基咪唑鹽([BMIM]Cl)、溴化1-甲基-3-己基咪唑鹽([EMIM]Br)、1-甲基-3-己基咪唑四氟硼酸鹽([EMIM]BF₄)、1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF₄)、1-甲基-3-己基咪唑六氟硼酸鹽([EMIM]PF₆)或1-甲基-3-丁基咪唑六氟硼酸鹽([BMIM]PF₆)。

所述步驟(1)中的碳納米管與聚丙烯腈的質量比為1∶1～1∶10。

所述步驟(2)中的熔融紡絲工藝參數(shù)為紡絲溫度140～230℃，卷繞速度25～150m/min，噴絲孔孔徑0.05～1mm，噴絲孔的長徑比1∶1～6∶1。

所述步驟(2)中的牽伸方法為干熱牽伸、水浴牽伸、熱輥牽伸和熱板牽伸中的一種或者幾種。

所述步驟(2)中的萃取劑為乙醇、甲醇、丙酮和水中的一種或者幾種。

所述步驟(2)中的聚丙烯腈碳納米管復合纖維強度為2.1cN/dtex～8.5cN/dtex，斷裂伸長率為5.0％～30.0％。

有益效果

(1)本發(fā)明工藝方法簡單，成本較低，有利于規(guī)模化生產，可避免大量有毒或有腐蝕性化學溶劑的使用，而且在生產過程中不需要進行溶劑的回收和凈化及“三廢”處理，不但節(jié)約溶劑消耗，而且省去了溶劑回收工藝和設備及水洗過程，可以大大降低生產成本，消除由于使用溶劑引起的嚴重環(huán)境污染問題；

(2)本發(fā)明通過離子液體的有效增塑，不僅降低了PAN的熔點，實現(xiàn)熔融紡絲，而且可實現(xiàn)高倍牽伸，從而得到高強度高取向度的PAN/CNT復合纖維；