[发明专利]一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维制备领域，涉及一种聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备方法。

背景技术

聚丙烯腈碳纤维因其具有高比强度、高比模量等诸多特性已经被广泛应用于航空航天工业以及军工上。随着对碳纤维制品的不断开发和应用，碳纤维必将成为一种可以形成庞大产业带的基础产品。如今制备碳纳米纤维的方法有很多种，静电纺丝法是目前为止能够直接连续制备聚合物纳米纤维的方法之一。

静电纺丝是通过强电场作用使得聚合物溶液或熔体发生喷射作用而制备纤维的一种新型纺丝技术。聚合物静电纺丝时大多是在溶液形式下进行，只有少数是在熔融状态下进行。静电纺丝根据高压电场下导电液体产生喷射的原理，在熔体或溶液上通几千伏以上的高压，使得喷丝头末端的液滴被电场加拉成圆锥状(即Taylor锥)，当电场强度超过某一临界值后，即临界电场力时，形成射流，射流由于受到拉伸作用，在经过溶剂的挥发或者熔体的冷却后，最终在接收屏上得到亚纳米甚至是纳米级的超细纤维。1934年，美国Formals在静电力下，采用醋酯纤维素(CA)进行溶液纺丝，此后人们对溶液纺丝进行了大量的研究，20世纪90年代以来，由于纳米热潮的到来而使溶液纺丝迅速兴起。近年来，国内的北京大学、清华大学、天津大学、东华大学、苏州大学等在静电纺丝技术领域的研究也取得了较快的发展。

现有技术中，杨恩龙等人公开了一种制备聚丙烯腈纳米纤维的方法：以数均相对分子量M_n为75000的聚丙烯腈为原料，配置质量分数为10%的PAN/DMAC溶液，在接收距离为11.5cm，45kV高压下纺织得到纳米纤维（参见：杨恩龙，覃小红，李妮，赵从涛，王善元. 纺织学报. Vol.28 No.4，2007.4）。

另外，专利号为200910228287.2的中国发明专利公开了一种碳纳米纤维的制备方法：以聚丙烯腈溶液，或者丙烯腈共聚物溶液或熔体为原料，采用静电纺丝或气流喷射的方法制成纳米纤维，然后将纳米纤维制成碳纳米纤维，其特征在于碳纳米纤维再经酸化处理，或电化学处理，制备成含氧和/或含氮官能团的碳纳米纤维；所述纳米纤维的直径在1um以下，实心结构；制成纳米纤维后经5～10倍的高倍拉伸、空气预氧化、惰性气氛中碳化、石墨化处理后，制成碳纳米纤维，所得碳纳米纤维的直径在300nm以下；

所述丙烯腈共聚物是指丙烯腈与丙烯酸甲酯、甲叉丁二酸或醋酸乙烯酯单体的共聚物，共聚物中丙烯腈的摩尔百分含量为80～99%，丙烯腈共聚物溶液中共聚物单体的摩尔百分含量为1～20%；

所述酸化处理工艺是：将碳纳米纤维在质量浓度30～68%的硝酸溶液中，10～50℃下处理1～10小时，去离子水清洗干燥后，即得到含有羧基官能团的碳纳米纤维；

所述电化学处理工艺是：将碳纳米纤维放在质量百分浓度为1～20%、10～50℃的硝酸或磷酸溶液中，或者碳酸铵或碳酸氢铵中，以10～100A/m2的表观电流密度处理1～120分钟，即得到含有羧基或氨基官能团的碳纳米纤维；或将碳纳米纤维放在质量百分比浓度为1～20%、温度10～50℃的电解质溶液碳酸铵或碳酸氢铵中，以碳纳米纤维作阳极，浸在电解质溶液中的碳电极充当阴极，以1～10A/m²的表观电流密度处理碳纳米纤维1～20分钟，之后水洗至碳纳米纤维表面pH值为中性，干燥后，即得到含有氨基官能团的碳纳米纤维。

事实上聚合物的分子量分布对碳纳米纤维的品质会有很大的影响，分布窄得到的碳纳米纤维尺寸越规整，性能越好。上述技术方案中，得到的聚丙烯腈或者和聚丙烯腈共聚物的分子量及分子量分布都不能控制，尤其是聚合物的分子量分布比较宽，这对要得到高品质的碳纳米纤维会带来很大的负面影响。本发明采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合合成聚合物分子量可控、分子量分布窄的聚丙烯腈则可以很好地解决这一问题并采用静电纺丝的方法可以得到连续高效制备高质量的聚丙烯腈纳米纤维。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，包括配置聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，