[發明專利]一種聚丙烯腈-功能化碳納米管復合纖維的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202011582446.1
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112723771A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 李翔;劉福杰
• 申請（專利權）人: 鎮江市高等專科學校
• 主分類號: C04B16/06
• 分類號: C04B16/06;D01D1/04;D01D5/098;C04B28/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

本發明公開了一種聚丙烯腈?功能化碳納米管復合纖維的制備方法及其應用。該方法選擇丙烯腈/丙烯酰胺二元共聚物PAN為原料，羥基/羧基功能化碳納米管(SWCNT/MWCNT)為增強材料，[Bmim]Cl為增塑劑，A151為分散劑，采用原位合成方法制備高純度[Bmim]Cl/CNT體系，再通過機械共混方法混合均勻后，擠出后切粒，再進行增塑熔融紡絲，熔融共混區溫度不能高于180℃，最后將制備的初生纖維進行二級水浴牽伸，即得復合纖維。通過對原料、關鍵紡絲工序及工藝的嚴格把控，促使碳納米管在聚丙烯腈纖維中均勻分布，同時復合纖維表面缺陷較少，截面為圓形；完善的形態結構有效提高纖維混凝土的抗壓性能。

技術領域

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種聚丙烯腈-功能化碳納米管復合纖維的制備方法及其應用。

背景技術

纖維混凝土是以普通混凝土或砂漿為基體，外加各種纖維材料而制成。其目的是增強混凝土的抗裂性和抗沖擊能力，提高韌性，故又稱為纖維增強混凝土。常用的纖維有：鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維以及石棉等。就增強效果而言，連續的長纖維比短纖維的增強效果更加明顯。

加入適當的纖維，可以顯著提高混凝土的抗拉和抗彎強度，同時亦使其極限變形能力明顯增加。而且均勻分散的纖維還有一定的阻裂作用，能夠有效延緩裂縫的擴展。常用的合成纖維有聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維等。聚丙烯腈纖維相比聚丙烯纖維具有許多優點，例如彈性模量及抗拉強度較高，耐光性極好，抗腐蝕性良好。聚丙烯腈纖維不僅能改善混凝土抗彎拉強度，而且可改善混凝土的抗彎韌性，它是混凝土理想的阻裂與增韌材料，是修建高等級水泥混凝土路面、橋梁面板、機場道面、堆石壩面板、抗震防爆等結構或構件的新型建筑材料。

不同的增強材料對基體的性能優化效果不同，但對于同一種增強纖維而言，形態、結構上的差異對基體性能的影響亦存在差異。目前，用于增強混凝土的聚丙烯腈纖維通常采用溶液紡絲工藝，纖維截面為腰圓形，表面存在大量溝槽、孔洞等缺陷。雖然存在一定缺陷有利于增強纖維與基體的界面作用，但缺陷亦降低了纖維自身的力學性能，因此纖維形態需優化調控，最終提高纖維混凝土的各項性能。

碳納米管是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸可達微米量級)的一維量子材料，具有典型的層狀中空結構特征，一般管的兩端有端帽封口。碳納米管的管身是準圓管結構，由六邊形碳環結構單元組成，端帽部分為含五邊形和六邊形的碳環組成的多邊形結構。由于其獨特的結構，碳納米管巨大的長徑比使得其成為更為堅韌的碳纖維，較普通碳纖維材料具有更好的力學性能，其強度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6，可以很好地提升復合纖維混凝土各項性能。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種聚丙烯腈-功能化碳納米管復合纖維的制備方法及其應用。在復合纖維成形過程中利用高溫及功能化碳納米管的誘導效應促使分子鏈形成特殊環化結構，同時，生成大量含氧基團，提高復合纖維與基體混凝土的界面作用。通過對原料、關鍵紡絲工序及工藝的嚴格把控，促使碳納米管在聚丙烯腈纖維中均勻分布，同時復合纖維表面缺陷較少，截面為圓形；完善的形態結構有效提高纖維混凝土的抗壓性能。

為解決現有技術問題，本發明采取的方案為：

一種聚丙烯腈-功能化碳納米管復合纖維的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，選取聚丙烯腈(PAN)、功能化碳納米管、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)、乙烯基三乙氧基硅烷(A151)，聚丙烯腈與1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽的質量比為6：4-5：5，羧基/羥基功能化碳納米管與聚丙烯腈的質量比為1：999-2：98，乙烯基三乙氧基硅烷與羥基/羧基功能化碳納米管的質量比為1：1；所述羥基/羧基功能化碳碳納米管為單壁或多壁功能化碳納米管；

步驟2，采用原位合成法先制備[Bmim]Cl/功能化碳納米管共混物