[發明專利]一種共混法制備高性能碳纖維原絲的方法

無效

• 申請號: 201310173586.7
• 申請日: 2013-05-13
• 公開（公告）號: CN104153027A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 代永強;張力;張惠博;成煜民;金日光
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F6/38
• 分類號: D01F6/38;D01F6/18;D01F9/22;D01D13/00;D01D1/02
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明屬于高性能碳纖維原絲制備領域，特別是涉及一種高等規度與高分子量聚丙烯腈共混法制備高性能碳纖維原絲的方法。

背景技術

作為增強材料，碳纖維具有一系列比其他材料更為優異的性能，惰性環境它的力學強度可以在2000℃以上的高溫中保持穩定，并具有高的比強度、高的比模量、耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕、低密度、耐燒蝕性、可傳導電及熱、自潤滑性等眾多優異性能。

在碳纖維的生產過程中，原絲的性能是制約碳纖維性能的主要因素。影響原絲性能的因素主要有聚合體中共聚單體類型、分子量、立構規整性、紡絲方法及工藝、牽伸工藝、干燥致密化程度、上油工藝等。采用高平均分子量聚丙烯腈樹脂以及高等規度的聚丙烯腈紡絲是生產高強度聚丙烯腈原絲的有效途徑。提高聚丙烯腈平均分子量可以有效提高碳纖維稠芳環的碳網長度、提高聚丙烯腈原絲的強度、減少聚丙烯腈分子鏈的端基數目，這些都有利于改善碳纖維的力學性能，獲得高性能的碳纖維。對于高分子量聚丙烯腈的溶解性較常規聚丙烯腈的溶解性差，因此高分子量聚丙烯腈的紡絲液的聚合物濃度普遍不高，且為了保證初生纖維在凝固浴中的凝固過程緩慢，凝固浴的溫度通常較低，而凝固浴的濃度較高，這樣，經過第一級凝固浴凝固的初生纖維中的溶劑含量較高，容易造成初生纖維在后續的沸水牽伸過程中由于強度低而出現斷絲、毛絲等現象，不利于纖維經由拉伸而獲得高取向度。因此，在初生纖維的凝固過程中采用多級凝固工藝，以緩和凝固過程。

高等規度聚丙烯腈在溶解過程中，分子間的相互作用較大，影響了大分子向溶劑中的擴散，所以隨著溶液濃度的提高，往往不能溶解而僅能得到凍膠，不是真溶液。同時，由于高等規PAN分子內螺旋結構單元較多，且為棒狀結構，分子間的纏結較少，所以溶液稠但粘性較小，可紡性較差。隨著等規度的提高，這種缺陷更加明顯。由于高等規聚丙烯腈的特殊分子鏈結構，使得其溶解性及粘性都不及低等規的聚丙烯腈，因此按常規的方法去溶解、去紡絲，其溶解性較差，不能制備可用于紡絲的較高濃度的紡絲液，同時，由于溶液的粘性較低，可紡性也較差。高等規度聚丙烯腈單獨紡絲困難，所以我們采用高分子量聚丙烯腈與其共混紡絲，在提高分子量的同時也提高了等規度，得到了強度高的聚丙烯腈基碳纖維原絲。

迄今為止，尚未見類似于本專利所述的共混法制備高性能碳纖維原絲的方法的相關報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種共混法制備高性能碳纖維原絲的方法，該方法有效解決了高等規度聚丙烯腈可紡性差的問題，通過共混的方法提高了聚合物的等規度及分子量，制備的聚丙烯腈基碳纖維原絲均勻性好，纖度小，拉伸強度高。

一種共混法制備高性能碳纖維原絲的方法，以高等規和高分子量聚丙烯腈為原料制備高性能碳纖維，具體特征在于包括如下步驟：

(1)將高等規及高分子量聚丙烯腈按一定比例(5-20)∶1下混合均勻將聚丙烯腈混合物加入DMSO中，采用階段升溫的方法溶解聚合物，在室溫下低速攪拌溶脹2小時，之后升溫至40℃中勻速攪拌溶解2小時，再在80℃下高勻速攪拌溶解48小時，獲得聚丙烯腈紡絲溶液，聚丙烯腈濃度為9-12wt％，紡絲溶液的溫度為60-80℃。

(2)紡絲液在計量泵的驅動下從1000孔噴絲頭孔徑60微米的噴絲頭中擠出，依次進入溫度為35-50℃，DMSO濃度為80-30％的三級凝固浴凝固，之后初生纖維經過4級熱水牽伸，牽伸總倍數為2-5倍，牽伸后絲條經過水洗去除殘留的DMSO，然后經過干燥致密化以及蒸汽牽伸1.2-2.4倍，最后熱定型得到聚丙烯腈原絲。

如上所述所選高等規度聚丙烯腈的等規度在0.32-0.64之間，最優在0.4-0.56；所選高分子量聚丙烯腈的分子量在40-62萬，最優在52-57萬。最終得到聚丙烯腈基碳纖維原絲的纖度為0.86-0.92dtex，拉伸強度為7.8-8.8cN/dtex

本發明的優點在于

1.通過共混方法解決了高等規度聚丙烯腈可紡性差的問題

2.采用高分子量聚丙烯腈與高等規聚丙烯腈共混的方法提高了聚合物的等規度

3.制得的纖維強度高，纖度小

4.高等規度聚丙烯腈的加入減小了紡絲液粘度，減少巴拉斯效應的影響。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1