[發(fā)明專利]一種靜電紡聚丙烯腈預(yù)氧纖維和碳纖維的制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201610258542.8
• 申請日: 2016-04-23
• 公開（公告）號: CN105714412A
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉杰;馬賽;王曉旭;梁節(jié)英
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: D01F11/06
• 分類號: D01F11/06;D01F9/22
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種靜電紡聚丙烯腈預(yù)氧纖維和碳纖維的制備方法。具體以短時高溫的熱處理方法對靜電紡絲方法制備的靜電紡聚丙烯腈原絲進(jìn)行預(yù)氧化處理，并通過常規(guī)炭化過程，實現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)良的靜電紡聚丙烯腈基碳纖維的制備，并可大幅提高靜電紡聚丙烯腈氧化纖維和碳纖維的生產(chǎn)效率，屬于碳纖維技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳纖維是一種重要的復(fù)合材料增強纖維，具有廣泛的應(yīng)用范圍與應(yīng)用價值。但是目前對碳纖維力學(xué)性能的進(jìn)一步提高正處于瓶頸。碳纖維屬于脆性材料，其力學(xué)性能受到內(nèi)部缺陷數(shù)目與分布的控制。碳纖維具有尺寸效應(yīng)，體現(xiàn)為碳纖維的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能隨直徑的減小而提高。這原于碳纖維原絲中缺陷的“遺傳”性，以及原絲直徑對預(yù)氧化過程中纖維徑向均一性的影響。因此有效改善原絲的結(jié)構(gòu)，減小原絲直徑，是進(jìn)一步提高碳纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵。

靜電紡絲方法是一種亞微米/納米纖維的連續(xù)制備方法。通過靜電紡絲方法制備直徑在亞微米甚至納米的聚丙烯腈纖維具有直徑超細(xì)、結(jié)構(gòu)完善、缺陷少的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢都是研究者希望在傳統(tǒng)紡絲方法中極力達(dá)到的。因此靜電紡聚丙烯腈原絲具有制備高性能碳纖維的潛力。

但是對于靜電紡聚丙烯腈原絲而言，有針對性的預(yù)氧化過程是十分重要的，因為靜電紡聚丙烯腈原絲在兩個影響預(yù)氧化過程的重要方面都與傳統(tǒng)微米原絲有著很大的不同：(1)原絲直徑的大幅度減小和(2)結(jié)晶度與分子鏈取向度的大幅度提高。然而，現(xiàn)有研究對于靜電紡聚丙烯腈原絲的預(yù)氧化的問題并沒有引起足夠的重視，絕大多數(shù)研究者還是從傳統(tǒng)微米原絲的預(yù)氧化特點進(jìn)行考慮，甚至有些研究者還在沿用間歇的方法進(jìn)行原絲后續(xù)的熱處理。因此限制了靜電紡聚丙烯腈原絲的潛力，也降低了其制備碳纖維制備過程的效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是提供一種靜電紡聚丙烯腈纖維的科學(xué)的、高效的預(yù)氧化方法，進(jìn)而制備出力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維。針對靜電紡聚丙烯腈的特點，合理優(yōu)化預(yù)氧化工藝：通過提高預(yù)氧化溫度提高纖維的環(huán)化度；縮短預(yù)氧化時間以控制纖維的密度，避免在炭化過程中引起纖維內(nèi)過多的結(jié)構(gòu)缺陷的形成。并且，靜電紡聚丙烯腈的短時高溫預(yù)氧化過程，真正提高了碳纖維制備工藝的生產(chǎn)效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。

一種靜電紡聚丙烯腈預(yù)氧纖維的制備方法，其特征在于，以靜電紡聚丙烯腈為前驅(qū)體，預(yù)氧化總時間控制為10～30min，溫度控制在240～295℃，具體包括以下步驟：將靜電紡丙烯腈纖維連續(xù)通過熱處理爐進(jìn)行預(yù)氧化，首先使纖維在240～260℃的溫區(qū)內(nèi)停留時間為5～15min，進(jìn)而使纖維中在270～295℃溫區(qū)內(nèi)停留時間為5～15min，以制取靜電紡聚丙烯腈氧化纖維。

進(jìn)一步，預(yù)氧化過程采用3～8個溫區(qū)；

進(jìn)一步，240～260℃溫區(qū)控制牽伸率為-4～8％，270～295℃溫區(qū)控制牽伸率為-8～4％；

進(jìn)一步，所用的靜電紡聚丙烯腈纖維可以為丙烯腈均聚纖維，或包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15％以下的一種或多種共聚單體的丙烯腈共聚纖維，共聚單體中包含可引發(fā)離子型環(huán)化反應(yīng)的羧基、胺基、酰胺基，及可改善紡絲性能的酯基；

進(jìn)一步，所用靜電紡聚丙烯腈纖維可以為無紡布/氈或單向纖維束。

一種靜電紡聚丙烯腈基碳纖維的制備方法，其特征在于，以靜電紡聚丙烯腈為前驅(qū)體，首先通過總時間為10～30min，溫度在240～295℃的預(yù)氧化處理，制備出靜電紡聚丙烯腈氧化纖維，進(jìn)而進(jìn)行炭化處理，制備出靜電紡聚丙烯腈基碳纖維，具體包括以下步驟：

(1)首先使靜電紡聚丙烯腈纖維在240～260℃的溫區(qū)的預(yù)氧爐中進(jìn)行5～15min的低溫?zé)崽幚恚M(jìn)而再在270～295℃溫區(qū)的更高溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行5～15min的高溫?zé)崽幚恚灾迫§o電紡聚丙烯腈氧化纖維；(2)進(jìn)而，對靜電紡聚丙烯腈氧化纖維進(jìn)一步進(jìn)行常規(guī)炭化處理，制備出碳纖維；

進(jìn)一步，預(yù)氧化過程采用3～8個溫區(qū)；

進(jìn)一步，240～260℃溫區(qū)控制牽伸率為-4～8％，270～295℃溫區(qū)控制牽伸率為-8～4％；

進(jìn)一步，低溫炭化溫度范圍為300～900℃，時間為：高溫炭化溫度范圍為1100～1600℃；時間為：

進(jìn)一步，所用的靜電紡聚丙烯腈纖維可以為丙烯腈均聚纖維，或包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15％以下的一種或多種共聚單體的丙烯腈共聚纖維，共聚單體中包含可引發(fā)離子型環(huán)化反應(yīng)的羧基、胺基、酰胺基，及可改善紡絲性能的酯基；

所用靜電紡聚丙烯腈纖維可以為無紡布/氈或單向纖維束。