[发明专利]凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基碳纤维原丝及制备方法

说明书

技术领域

本发明属纺织纤维原丝技术领域，特别是涉及一种凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法。

背景技术

碳纤维是20世纪60年代发展起来的一种新型工业材料，其高比强度、高比模量、质轻、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优点使其在许多领域有着巨大的应用潜力。由于目前还无法直接从元素碳，按照一般的合成方法直接制得碳纤维，因此在碳纤维的生产中只能利用含碳量较高的沥青纤维、再生纤维素纤维及聚丙烯腈纤维等有机高聚物纤维通过预氧化，碳化，石墨化等一系列工艺间接制得。而如今，仅有聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基纤维三大类原丝具有工业化意义。

由于聚丙烯腈原丝能制得高性能的碳纤维，同时其生产工艺较其它方法简单，产品的力学性能良好，因而已成为生产碳纤维的主要原丝。在制备高性能聚丙烯腈基碳纤维过程中，其前体聚丙烯腈原丝的性能至关重要，如果聚丙烯腈原丝的分子结构和聚集态结构存在不同程度的缺陷，必将严重影响碳纤维的质量和性能。据理论估算，碳纤维的理论强度可以达到100GPa，而目前，由日本东丽公司公开的产品名为T1000的聚丙烯腈基碳纤维的强度为(7.1GPa)，仅为理论强度的(3.94％)。因此如何减少原丝缺陷，进一步提高原丝的力学性能是如今制备碳纤维材料普遍存在的一个问题。

国内外有许多专利对优化原丝质量的方法进行了报道，日本东京三菱丽阳株式会社公开专利CN1316027A，CN1271396A，介绍了一步法纺丝液的制备和热拉伸等纺丝工艺。同时中国专利CN1417394A，CN1536107A，CN85103318A也对制备聚丙烯腈原丝的工艺流程及纺丝液成分优化配比进行了报道。另外，中国专利CN1920132A报道了通过制备异形截面聚丙烯腈原丝的方法来提高原丝的预氧化及碳化性能。

近年来，国内外有文献报道通过添加纳米粒子改性聚合物的应用，如添加凹凸棒土，蒙脱土，碳黑，碳纳米管及二氧化硅纳米粒子等。凹凸棒土又名坡缕石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，具有广泛的应用领域。中国专利CN1948604A对凹凸棒土改善纺织浆液进行了报道。而凹凸棒土作为一种填料，在材料中可以起到增强作用。Peng等人研究发现添加纳米凹凸棒土颗粒对提高聚乙烯醇(PVA)纤维强度有着显著的作用【Zhiqin Peng，Dajun Chen.Journal of Polymer Science，Part B：Polymer Physics(2006)，44(14)：1995～2000】，而Wang等人将有机改性的凹凸棒土(AT)与聚丙烯(PP)通过共混仪熔融混合挤出合成复合材料，使材料的强度和硬度有了明显的提高【LihuaWang，Jing Sheng.Polymer，2005，46：6243～6249】。但目前尚未见到通过添加凹凸棒土纳米粒子的方法来提高聚丙烯腈基碳纤维原丝性能的相关报道和专利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法，以提高现有的聚丙烯腈基碳纤维原丝力学性能差、原丝缺陷等问题。

本发明的原理是利用共混的方法，将超声分散好的凹凸棒土加入到聚丙烯腈的有机溶剂中，通过湿法纺丝，制得复合聚丙烯腈基碳纤维原丝，有效提高了原丝得力学性能。

本发明的一种凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基的碳纤维原丝，其成分为聚丙烯腈共聚物和凹凸棒土，二者的重量比范围为100∶0.1～100∶2。

所述聚丙烯腈共聚物是分子量6～10万的碳纤维专用聚丙烯腈。

所述凹凸棒土纳米粒子的粒径范围：粒子直径为20～40nm，粒子长度为1000～2000nm。

所述凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基的碳纤维原丝的纤度为3～4.5dtex，拉伸强度6～9cN/dtex，断裂伸长率为10～12％。

本发明的一种凹凸棒土纳米粒子改性聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，包括以下步骤：

(1)纺丝原液的制备

将凹凸棒土原料在有机溶剂中超声处理1～6小时，经清洗、过滤、干燥得到纯度为90～100％的凹凸棒土；

将该凹凸棒土、碳纤维专用聚丙烯腈粉末和有机溶剂，按照重量比为0.03～0.4∶20～25∶75～80混合溶解，在三口瓶中经过强力搅拌制得浓度为20～25％均匀的纺丝原液，其中，混合搅拌加热温度为50～100℃，搅拌时间为2～10小时；

(2)纺丝过程