[發(fā)明專利]高強、高模、高韌性聚丙烯腈纖維及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112899807B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉耀東;安鋒;周普查;于毓秀;滕娜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所
• 主分類號: D01F6/54
• 分類號: D01F6/54;D01F1/10;D01F8/08;D01F8/10;D01F11/06;D01F11/08;D01F8/16;D01D5/34;D01D5/04;D01D5/14;D01D5/06;D01D10/02
• 代理公司: 北京青松知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11384
• 代理人: 鄭青松

本發(fā)明涉及一種高強、高模、高韌性聚丙烯腈纖維及其制備方法。所述制備方法，包括如下步驟：S1：柔性聚合物溶解到有機溶劑中，得到柔性聚合物溶液；S2：將聚丙烯腈粉末溶解到柔性聚合物溶液中，獲得聚丙烯腈/柔性聚合物紡絲原液；S3：將聚丙烯腈/柔性聚合物紡絲原液通過噴絲孔擠出，經(jīng)空氣層，進入非水溶劑凝膠浴后被正牽伸，得到初生纖維；S4：將初生纖維萃取、水洗后熱牽伸、干燥致密化、上油后，制備得到初生聚丙烯腈纖維；S5：將初生聚丙烯腈纖維熱退火處理，提高纖維韌性，得到聚丙烯腈纖維。本發(fā)明通過柔性鏈段復(fù)合和熱處理技術(shù)的協(xié)同配合，實現(xiàn)高性能聚丙烯腈纖維斷裂伸長比的顯著提升，同時保持其高拉伸強度和楊氏模量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及纖維技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高強、高模、高韌性聚丙烯腈纖維及其制備方法。

背景技術(shù)

聚丙烯腈是一種丙烯腈含量為85％以上的聚合物，通常具有一種或者多種共聚單體。聚丙烯腈的共聚單體含量和力學(xué)性能決定了其應(yīng)用領(lǐng)域。聚丙烯腈通過溶解、紡絲、熱氧化、碳化、以及石墨化可以制備不同規(guī)格聚丙烯腈纖維，其中，低共聚含量聚丙烯腈纖維可通過氧化、碳化處理制備碳纖維，并且是目前制備高性能碳纖維的唯一、最廣泛應(yīng)用的前驅(qū)體；而共聚物含量較高的低性能聚丙烯腈纖維可用于室外織物、地毯；高強(強度≥800MPa)高模(模量≥16GPa)聚丙烯腈纖維可用于建筑(混凝土等)增強、過濾(高溫氣體)等。

聚丙烯腈纖維隨著其取向度和結(jié)晶度的增加，模量可以顯著增強，但是其韌性會顯著降低。低模量(≤10GPa)聚丙烯腈纖維的斷裂伸長比通?？梢赃_到12-14％；但是隨著纖維模量的提升，其斷裂伸長比逐漸降低；高模量(≥16GPa)聚丙烯腈纖維的斷裂伸長比低于10％，通常為7-9％。聚丙烯腈纖維的斷裂伸長比顯著影響其韌性和沖擊強度，對其應(yīng)用場景和性能產(chǎn)生顯著影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高強、高模、高韌性聚丙烯腈纖維及其制備方法。

一種高強、高模、高韌性聚丙烯腈纖維，所述纖維的拉伸強度為810-1160MPa、楊氏模量為18～24.2GPa、斷裂伸長比為9.1-16％。

一種聚丙烯腈基纖維的制備方法，包括如下步驟：

S1：柔性聚合物溶解到有機溶劑中，得到柔性聚合物溶液；

S2：將聚丙烯腈粉末溶解到步驟S1得到的柔性聚合物溶液中，獲得聚丙烯腈/柔性聚合物紡絲原液；

S3：將步驟S2得到的聚丙烯腈/柔性聚合物紡絲原液通過噴絲孔擠出，經(jīng)空氣層，進入溫度為0℃～-50℃的非水溶劑凝膠浴后被正牽伸，得到初生纖維；

S4：將初生纖維萃取、水洗后在40-95℃熱牽伸、干燥致密化、上油后，制備得到初生聚丙烯腈纖維；

S5：將步驟S4得到的初生聚丙烯腈纖維，在120-160℃下進行熱退火，退火1-60min，提高纖維韌性，得到聚丙烯腈纖維。

優(yōu)選的，步驟S1中所述柔性聚合物包括聚乙烯醇、線性聚氨酯以及聚氧化乙烯中的任意一種或多種；

所述有機溶劑包括二甲基亞砜、二甲基甲酰胺以及二甲基乙酰胺中的任意一種或幾種的混合物。

優(yōu)選的，步驟S2中所述聚丙烯腈粉末的分子量為15-51萬，所述聚丙烯腈粉末的目數(shù)小于100目；

所述柔性聚合物與聚丙烯腈的質(zhì)量比為0.1～10wt％；

所述聚丙烯腈/柔性聚合物紡絲原液室溫下粘度為40-150Pa.s，優(yōu)選為70-120Pa.s。

優(yōu)選的，步驟S3中非水溶劑為：(1)凝固點≤-50℃、沸點≥40℃；(2)20℃粘度≤2.4mPa.s；(3)能與有機溶劑以任意比互溶；(4)不溶解聚丙烯腈基纖維。