[發(fā)明專利]利用廢聚丙烯腈纖維制備的聚丙烯腈碳纖維及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811210156.7
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109322010A
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李常清;徐樑華;陳洞;張順;高愛君;趙鎮(zhèn)文;王琦;王宇;童元建;曹維宇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué);威海拓展纖維有限公司
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22
• 代理公司: 北京力量專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 宋林清

本發(fā)明公開了利用廢聚丙烯腈纖維制備的聚丙烯腈碳纖維及其制備方法，方法包括：(1)將廢聚丙烯腈纖維進行脫水處理，得到完全脫水的廢聚丙烯腈纖維；(2)將所述完全脫水的廢聚丙烯腈纖維短切后與溶劑混合室溫溶脹、高溫攪拌溶解配制聚合物溶液，經(jīng)過濾、脫泡得到紡絲溶液；(3)將所述紡絲溶液進行紡絲，得到聚丙烯腈原絲；(4)將所述聚丙烯腈原絲進行預(yù)氧化和碳化，得到聚丙烯腈碳纖維。采用該方法得到完全脫水廢絲，配制聚丙烯腈質(zhì)量濃度為19～22wt％的碳纖維原絲用紡絲溶液，以此紡絲液制備的原絲經(jīng)預(yù)氧化和碳化后，最終制備得到線密度38～66g/km、拉伸強度3.8～5.6GPa、拉伸模量230～300GPa的聚丙烯腈碳纖維。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳纖維技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及利用廢聚丙烯腈纖維制備的聚丙烯腈碳纖維及其制備方法。

背景技術(shù)

聚丙烯腈(PAN)碳纖維是先進復(fù)合材料中最重要的增強材料，由于具有高比強度、高比模量等一系列優(yōu)異性能，已成功應(yīng)用于航空、航天、汽車、機械、化工、體育、醫(yī)療等行業(yè)，世界各國對發(fā)展聚丙烯腈碳纖維都給予了高度的重視。

經(jīng)過十余年發(fā)展，中國已建成幾十條聚丙烯腈碳纖維研制和生產(chǎn)線。在建有原絲生產(chǎn)線的碳纖維工廠中，由于種種原因，原絲生產(chǎn)各階段每年產(chǎn)生了大量的PAN纖維廢料，包括紡絲過程中噴絲頭噴絲、紡絲頭位置產(chǎn)生的尾絲、水洗、牽伸和烘干過程中產(chǎn)生的廢絲，在設(shè)備小修或大修、以及一些不可預(yù)料因素影響等都會產(chǎn)生廢絲。PAN分子結(jié)構(gòu)的特點決定了廢絲既不能自然解聚，不能熱壓成型，也不能作為燃料使用，因為焚燒會釋放出大量的劇毒物質(zhì)氰化氫。將其廢棄是對資源的一種浪費，同時也會對環(huán)境造成一定的影響。所以對PAN廢絲的綜合利用，自然就引起了高度重視。

“變廢為寶”，通過物理和化學(xué)方法回收PAN纖維將其重新利用，提高附加值且綠色環(huán)保是目前新穎且有價值的思路。PAN廢絲的處理方法可以分為物理方法和化學(xué)方法兩種。物理方法是不改變廢絲的化學(xué)結(jié)構(gòu)而將廢絲重新加以利用，主要是通過建立回收裝置，生產(chǎn)回收切片，供擠出機加工，用于注射模塑、原纖化纖帶、縫線和繩索等。化學(xué)方法是利用PAN纖維側(cè)鏈上的氰基，通過化學(xué)水解后的產(chǎn)物可以廣泛應(yīng)用于絮凝劑、粘合劑、堵水劑、高吸水性樹脂及相變材料等。雖然一定程度減少環(huán)境污染，提高廢物附加值，但成效并不顯著。

CN101979728A專利公開了一種利用聚丙烯腈廢絲制備相變纖維的方法，具體的將聚丙烯腈廢絲、脂肪酸與N，N-二甲基甲酰胺按一定質(zhì)量比加入到反應(yīng)器中，于60～90攝氏度下攪拌后獲得均勻的乳白色紡絲溶液，然后將所得紡絲溶液采用濕法紡絲制取相變纖維。相變纖維直徑通常大于100微米，采用此方法得到的乳白色紡絲液可以制備相變纖維，但并不適用于制備直徑只有十幾微米的聚丙烯腈碳纖維用原絲，生產(chǎn)碳纖維原絲用的紡絲液必須是聚丙烯腈溶液，為防止堵塞噴絲板孔徑和避免纖維中存在不溶雜質(zhì)，聚丙烯腈紡絲溶液必須經(jīng)過微米級過濾系統(tǒng)，上述乳白色紡絲液難于通過。

PAN廢絲中含有有效的高含量的聚丙烯腈、少量共聚單體和一定量溶劑，近幾年，國際原油價格一路飆升，導(dǎo)致PAN纖維的主原料丙烯腈的價格也隨之大幅上揚。若能回收再溶解制備碳纖維用紡絲原液，無疑將極大降低原料成本、減少環(huán)境污染，回收廢棄資源綠色高價值再利用，將具有明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用廢聚丙烯腈纖維制備聚丙烯腈碳纖維及其制備方法，該方法首先通過脫水工藝控制將廢聚丙烯腈纖維中水分完全脫除，然后采用二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等良溶劑，將完全脫水的廢聚丙烯腈纖維溶脹、高溫溶解制備聚丙烯腈原絲用紡絲溶液，通過紡絲、預(yù)氧化和碳化制備高性能聚丙烯腈碳纖維，得到線密度38～66g/km、拉伸強度3.8～5.6GPa、拉伸模量230～300GPa的聚丙烯腈碳纖維。本發(fā)明真正意義上實現(xiàn)了“變廢為寶”，將廢絲轉(zhuǎn)變?yōu)樘祭w維，極大降低聚丙烯腈碳纖維原料成本、減少環(huán)境污染，實現(xiàn)回收廢棄資源綠色高價值再利用，具有明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。