[发明专利]一种高强度静电纺丝聚丙烯腈基纳米碳纤维毡的制备方法

说明书

一种高强度静电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维毡的制备方法，属于碳纤维制备技术领域。在静电纺聚丙烯腈纤维毡进行预氧化的过程中，通过至少三阶段(多温区)短时预氧化，避免预氧化阶段剧烈的环化反应和氧化反应，从而减少在碳化过程中引起纤维内过多的结构缺陷造成纤维部分断裂而出现松弛现象，使得碳纤维毡的拉伸强度大幅度提高。进一步在碳化过程避免因长时间预氧化使得氧化反应过长，造成的脱碳严重而导致碳纤维结构受损，提高碳纳米纤维毡的拉伸强度。该方法可以有效地改善静电纺丙烯腈碳纳米纤维毡的力学性能，并且提高生产效率。

技术领域

本发明涉及一种高强度静电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维毡的制备方法。具体以采用三阶段(多温区)短时来控制静电纺聚丙烯腈纤维毡的预氧化时间，减少碳化中纤维内部结构缺陷，大幅提高纳米碳纤维毡力学性能。

背景技术

静电纺碳纳米纤维毡具有大的表面积(来源于纳米纤维直径)，相对高的电导率，结构完整，电化学性能好，吸附性能好等等，常应用于电容器的电极材料，电化学电容脱盐碳纤维网，过滤介质，在防护服中的吸附层等等。但是目前对碳纤维毡的力学性能的进一步提高正处于瓶颈。碳纤维毡存在的缺点是：1)脆性的，2)易碎的，3)力学性能差。目前普遍测试得到的静电纺PAN基碳纳米纤维毡的强度不超过100MPa，力学性能差是其无法大范围应用的原因。

碳纤维属于脆性材料，性材料的力学性能由两个因素决定，一是自身的力学性能，即拉伸强度；二是自身的结构缺陷，强度是由结构决定的，它的结构包括高次形态结构，聚集态结构，化学结构等。预氧化工艺对碳纤维的力学性能起决定性作用。因此有效改善预氧化工艺，减少预氧化时间，是进一步提高碳纤维力学性能的关键。

然而现有研究对于静电纺丙烯腈无纺布的预氧化的问题并没有引起足够的重视，绝大多数研究者还是从传统微米级原丝的预氧化特点考虑问题，对无纺布进行长时间(2～8h)的热处理方法，因为预氧化过程中放热反应和环化反应剧烈，只能使用长时间的反应来保温，同时又需要一个缓慢的升温过程，目的是缓和预氧化过程中的剧烈反应程度。而由此会造成两种缺陷，一是能耗高，二是影响碳纤维力学性能的重要原因。因为预氧化阶段的热化学反应特点我们不能直接缩短预氧化时间，否则会造成以下两种后果：1.反应程度不够；2.反应过渡剧烈。

为了解决这个问题，我们设计了至少三阶段梯度升温的概念，通过阶段性反应解决上述问题。本发明采用40min(240℃/260℃/274℃)的短时多温区预氧化，能耗缩短了80％，其提升了碳纤维毡制备过程的效率。由于碳纳米纤维尺寸小，比表面积大，与氧原子结合快，其渗透速率加快，因此预氧化时间过长会造成脱碳严重，造成纤维结构被破坏而出现纤维松弛现象，影响碳纤维毡的力学性能。所以我们应该采用短时多温区预氧化。

然而当进一步缩短预氧化时间到20min(240℃/260℃/274℃)，其预氧化阶段纤维内核心不完全氧化，可能产生皮芯结构。在碳化阶段由于纤维芯被烧除，因此导致皮芯结构纤维形成的碳纤维机械特性更差。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种科学的、直观的静电纺丙烯腈基纤维毡的预氧化工艺，通过采用至少三阶段(温区)短时预氧化可得到力学性能优异的碳纤维毡。针对静电纺丙烯腈纤维毡的特点，合理优化预氧化工艺：通过多温区短时预氧化，避免预氧化阶段剧烈的环化反应和氧化反应，从而在碳化过程中引起纤维内过多的结果缺陷的形成，使碳纤维毡的拉伸强度大幅度提高。并且，静电纺丙烯腈纳米纤维毡的短时预氧化工艺，真正提高了碳纤维制备工艺的生产效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种高强度静电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维毡的制备方法，其特征在于，通过采用三阶段多温区短时预氧化，缩短预氧化时间，然后进行碳化；采用多温区短时预氧化同时避免预氧化过程中环化反应和氧化反应过渡剧烈；从而减少在碳化过程中由于纤维内过多结构缺陷造成的脱碳严重，进而减少纤维断裂、出现松弛现象，最终增加碳纤维毡的拉伸强度；