[发明专利]碳纳米管改性的聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备领域，特别是涉及一种碳纳米管改性的聚丙 烯腈基碳纤维原丝及其制备方法。

背景技术

碳纤维是主要是碳元素组成的一种特种纤维，是国际公认的一种重要的高性能战略纤 维。和无机非金属材料、金属材料相比，它具有重量轻、加工简便、容易成型、物理性能 好、不会锈蚀等突出特点；和普通高分子材料相比，它具有高强度、高模量、耐高温、耐 磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。因此，碳纤维 是航空、航天等军工领域中不可或缺的材料，在多种工业系统和体育休闲领域内也有广泛 的用途，成为国防军工、现代工业产业升级与产品更新换代发展所必须的的战略高性能材 料。它的发展不仅与我国国家命运安危也与国民经济高速发展密切相关。

尽管用来制备碳纤维的有机纤维相当多，但由于炭化得率、生产技术的难易和成本等 原因，实际上只有粘胶纤维、聚丙烯腈纤维及沥青纤维为原丝制造碳纤维的方法实现了 工业化。1969年第十届国际碳素会议上确认聚丙烯腈基碳纤维的主流地位。目前，聚丙 烯腈基碳纤维已占碳纤维总量的85％以上。

碳纳米管是一种新型纳米材料，其所具有的独特结构和广泛应用前景引起广泛关注。 使用碳纳米管可以增强高分子材料的机械性能。例如申请号为200810034458.3的“一种碳 纳米管增的强聚丙烯腈基碳纤维的制备方法”的中国专利公开了通过碳纳米管与聚丙烯腈 纺丝溶液混合再通过湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的方法。但是通过在纺丝溶液中 加入纳米管制备聚丙烯腈基碳纤维原丝，不但会降低纺丝溶液的可纺性，而且由于纳米管 的团聚而易造成不利于氧化的缺陷。

另一方面，聚丙烯腈纤维作为碳纤维原丝，其孔结构不但影响后续的氧化过程中氧扩 散入纤维的阻力，而且决定最终碳纤维的性能。因此，对原丝孔结构的调控逐渐成为研究 热点。在聚丙烯腈纤维生产中，可以通过干燥致密化工艺消除初生纤维中的微孔，从而改 善纤维的力学性能。但对于碳纤维原丝，微孔的闭合显然不利于氧向纤维内部的扩散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管改性的聚丙烯腈基碳纤维原丝及其 制备方法，该制备方法简单，且防止了碳纳米管的团聚，适合于工业化生产；所得纤维机 械性能高。

本发明的一种碳纳米管改性的聚丙烯腈基碳纤维原丝，组分包括：碳纳米管和聚丙烯 腈，其质量百分比为1～20％∶80～99％。

所述的聚丙烯腈是粘均分子量为50000～170000的常规分子量丙烯腈共聚物或粘均分子 量为500000～2000000的超高分子量丙烯腈共聚物。

所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管，单壁碳纳米管的直径为0.75～ 3nm、长度为1～50μm，多壁碳纳米管的直径为2～30nm、长度为0.1～50μm。

所述的碳纳米管改性的聚丙烯腈基碳纤维原丝的线密度2.22-4.44dtex，抗拉强度 6.0-8.5cN/dtex，断裂伸长率12-20％。

本发明的一种碳纳米管改性的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，包括：

(1)将聚丙烯腈溶解在溶剂中，配成质量分数为3～45％的聚丙烯腈溶液，过滤，脱泡；

(2)将聚丙烯腈的溶剂与水成纺丝凝固浴，其重量浓度为1～30％，温度为0℃～70℃；

(3)将未处理或者经过修饰的碳纳米管加入步骤(2)得到的纺丝凝固浴分散制成悬浮液， 碳纳米管占纺丝凝固浴总重量的0.5～3.0％；

(4)将步骤(1)得到的纺丝溶液经喷丝孔喷出挤入上述纺丝凝固浴固化成型，再经过1～ 15倍、温度50℃～140℃拉伸、水洗、80℃～130℃定型、80℃～180℃干燥，即得。

所述步骤(1)或(2)中溶剂是无机物水溶液或有机物，其中无机物水溶液是硫氰酸 钠、硫氰酸钾、氯化锌、硝酸的水溶液，硫氰酸钠水溶液、硫氰酸钾水溶液的重量浓度分 别为50％～60％，氯化锌水溶液的重量浓度为60％～75％，硝酸的水溶液的重量浓度为 65％～70％；有机物为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或50％～80％重量的碳酸 乙二酯。