[发明专利]一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米碳纤维原丝的制备领域，特别涉及一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种大规模使用于工业、体育和民用的高性能纤维，其原丝质量对于碳纤维的性能具有至关重要的影响。目前最主要的碳纤维产品是通过聚丙烯腈、酚醛树脂、纤维素以及沥青等通过常规纺丝方法得到的原丝，经碳化处理后得到的。

随着近年来纳米技术的热潮，纳米碳纤维也受到了关注。通常用来制备纳米碳纤维的方法有气相沉积法以及静电纺丝法。气相沉积法虽然能够一定规模的生产碳纳米管和纳米碳纤维，但是得到的碳纤维理论上无法得到无限长，而静电纺丝则能够通过纺制不同的纳米碳纤维原丝，再经碳化得到纳米碳纤维，理论上可以实现无限长。

但是静电纺丝通常得到的是纳米纤维的无纺布结构，由于纤维极细，且未经过拉伸取向，因此得到的纤维膜通常强度很差，并且静电纺丝无法像常规纺丝那样得到连续的纤维，无法通过通常的后处理工艺提高纤维的强度。这些都限制了静电纺产品的应用，特别是对力学性能有一定要求的领域。目前也有一些方法制备具有高度取向的静电纺丝纤维，但是这些方法有些是条件限制太多，不具有普适性，另一些则只能得到小规模的高度取向的纤维，无法放大。

目前已经公开的关于静电纺纳米碳纤维的文献，由于原丝的力学性能较差，并且碳化过程中无法施加张力，静电纺丝碳纤维几乎没有强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，该方法不仅可以得到无限长的丝束，并且纤维取向程度很高，且不会随着纺丝过程而改变，具有良好的稳定性；制得的纳米纤维原丝用于下一步碳化力学性能较好，也可在碳化过程中施加张力，在碳化后可得到力学性能较好的纳米碳纤维，具有良好的应用前景。

本发明的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，包括：

(1)将聚丙烯腈和溶剂按质量比为1∶7～16混合，在50-100℃下搅拌至完全溶解，干喷湿法静电纺丝得纤维；

(2)上述纤维进入凝固浴后，用1-300m/min的线速度将其卷绕，得到1-200根纳米纤维束；

(3)将上述纳米纤维束并股并加捻得到纱线，经牵伸、水洗、热辊烘干得到纳米碳纤维原丝。

所述步骤(1)中的聚丙烯腈分子量为6万-30万，其中90％以上的链段为丙烯腈，其余为丙烯酸甲酯、衣康酸、丙烯酸、丙烯酰胺或苯乙烯磺酸钠。

所述步骤(1)中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。

所述步骤(1)中的干喷湿法静电纺丝工艺参数为电压8-30kV，单头挤出速率为0.25-3ml/h，喷丝头数量为1-200个。

所述步骤(2)中的凝固浴组成为体积比为10∶0-1的水和溶剂，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。

所述步骤(3)中的牵伸倍数为1-6倍。

制得的纳米碳纤维原丝单丝的平均直径为50-2000nm，单束纤维束的直径为0.005-1mm，强度为50MPa-500MPa。

本发明的是将利用干喷湿法静电纺丝，将静电纺的射流在凝固浴中凝固，再通过辊筒卷绕收集，得到的纤维相互之间粘结很少，且具有很好的取向度，将纤维束并股加捻后，可以用常规的牵伸和热定型工艺进行加工，得到具有良好力学性能的纳米纤维纱线。所得纱线无论从形态还是力学性能，都可以用于进一步碳化，得到具有高比表面积和高强度的纳米碳纤维。

有益效果

(1)本发明通过干喷湿法静电纺丝——卷绕过程，不仅可以得到无限长的丝束，并且纤维取向程度很高，且不会随着纺丝过程而改变，具有良好的稳定性；由于通过凝固浴凝固，纤维表面经过双扩散快速固化，纤维之间相互粘结减少，有利于牵伸过程；通过纳米纤维纱线的形式进行牵伸和热处理，使整个牵伸和热处理过程变得相对简单；

(2)制得的纳米纤维原丝用于下一步碳化力学性能较好，也可在碳化过程中施加张力，在碳化后可得到力学性能较好的纳米碳纤维，可用于复合材料增强、电磁屏蔽、传感器、超级电容器、电池阳极材料、催化剂载体等方面，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例3制得的聚丙烯腈基纳米碳纤维丝束；

图2为实施例6制得的聚丙烯腈基纳米碳纤维丝束。

具体实施方式