[发明专利]聚丙烯腈基预氧丝及碳纤维的离心纺制备方法

说明书

本发明提供了一种聚丙烯腈基预氧丝及碳纤维的离心纺制备方法，将配置的聚丙烯腈基N,N‑二甲基甲酰胺纺丝液注入平面接收式离心纺装置中，纺丝液在离心力作用下从喷丝孔喷射至平面收集带上，制备得到直径较细且尺寸分布均匀的聚丙烯腈基原丝，再通过分段式升温和保温进行预氧化，制备得到的聚丙烯腈基预氧丝耐热性高，纤维形态保持良好，无黏连现象；进而高温碳化得到直径分布均匀，耐热稳定性良好的聚丙烯腈基碳纤维。本发明还通过添加聚乙烯醇缩丁醛，制备得到具有多孔结构的聚丙烯腈基碳纤维。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，尤其涉及一种聚丙烯腈基预氧丝及碳纤维的离心纺制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基(PAN)碳纤维为人造合成纤维，是一种高比强、高模量的脆性材料，在航空航天、建筑、汽车、医疗等领域具有广泛的应用。PAN基碳纤维是由PAN原丝经过空气连续预氧化制得预氧丝，然后在氮气气氛下经连续低温、高温碳化等一系列热处理的转化制得。其中，预氧丝作为制备碳纤维过程中重要的中间产品，是PAN的线型分子链通过预氧化转化为耐热梯形结构，具有隔热、防火、阻燃的优点。优质的PAN原丝是研制高性能预氧丝和碳纤维的基础，预氧化和碳化是决定碳纤维力学性能的关键。目前，制备PAN基碳纤维的方法主要是静电纺丝法，此方法获得的纤维直径较细，尺寸分布均匀，具有良好的力学、吸附及导电性能，但是存在纺丝速度慢、技术难度大等问题，限制了预氧丝和碳纤维的大规模制备。

离心纺丝法作为一种新型的纺丝方法，利用高速旋转喷丝器产生的离心力将纺丝溶液或熔体甩出喷嘴并产生初始射流，随后经拉伸和固化形成超细纤维。该方法不需施加高压电场，制备过程不受传导率的约束，克服了静电纺丝微/纳米纤维的制备方法所遇到的限制，可快速制备纳米和微米级纤维，而且设备简单，技术难度小，具有规模化应用的潜力。其中，在离心纺丝制备纳/微米纤维的过程中，收集方式对射流的运动轨迹和受力过程有重要影响，进而影响纤维的形态和性能；此外，纺丝液浓度、转速、喷丝孔直径等工艺参数也有重要影响。然而，传统的离心纺丝设备通常使用环形收集棒收集，这种收集方式获得的纤维为不连续的短纤，且效率低，限制了离心纺在碳纤维方面的大规模应用，而且制备得到的碳纤维性能不佳。

作为改进，申请号为CN201910431025X的发明专利提供一种平面接收式离心纺自动生产设备及方法，其提出的离心纺设备在喷丝器下方设置连续的平面收集带，喷丝器在高速旋转时喷出的纺丝溶液固化后呈螺旋线下降至收集带上表面，最终形成连续不断的离心纺纤维网，解决了离心纺难以得到连续长丝的问题，实现了离心纺连续批量化生产，进一步推进了离心纺丝在碳纤维方面的大规模应用。

发明内容

基于以上所述平面接收式离心纺自动生产方法，本发明的目的在于提供一种聚丙烯腈基预氧丝及碳纤维的离心纺制备方法，通过配置PAN基N,N-二甲基甲酰胺溶液，采用一种平面收集带式收集器，纺丝液在离心力作用下从喷丝孔喷射至收集带，再通过导辊进行收集，制备得到的PAN基长纤维直径较细，尺寸分布均匀，纺丝效率相比传统离心纺丝法显著提高，再通过分段式升温和保温进行预氧化，制备得到的聚丙烯腈基预氧丝耐热性良好，纤维形态保持良好，无黏连现象；对该聚丙烯腈基预氧丝进行高温碳化处理得到直径分布均匀，耐热稳定性良好的碳纤维。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种聚丙烯腈基预氧丝的离心纺制备方法，包括以下步骤：

S1.配制纺丝液：将聚丙烯腈粉末溶于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解，配成预设质量浓度的纺丝液；

S2.离心纺丝：将所述纺丝液注入平面接收式离心纺装置中进行离心纺丝，得到聚丙烯腈基长纤维；

S3.预氧化：将步骤S2制备的聚丙烯腈基长纤维放入活化炉中，在空气气氛中，进行分段式升温和保温，得到聚丙烯腈基预氧丝。