[发明专利]静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于静电纺丝及其装置领域，特别涉及一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置。

背景技术

从第一批碳纤维的诞生到现在只有近百年的历史，但是由于碳纤维具有突出的高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热以及热膨胀系数小等一系列优异性能，无论从军工还是到民用产业都受到了广泛的重视。目前所用的碳纤维直径主要处于微米级别，因而使碳纤维的很多性能无法得到充分展现，例如碳纤维强度的理论值为180GPa，然而现在最强的碳纤维只能达到7GPa左右。

预氧化纤维是制造碳纤维的中间产品，也可以作为阻燃纤维应用于纺织领域加工成纺织服装产品，如高温工作服、消防用品等，但是到目前为止，商业用的预氧化纤维由于延伸性能以及抱合力差等原因，严重限制了预氧化纤维的应用领域以及发展推广，也限制了民用腈纶在预氧化纤维制备方面的应用。经分析表明，降低预氧化纤维的尺寸是提高预氧化纤维性能最为有效的手段。一方面，根据弱环定理我们知道降低纤维的直径可有效的减少纤维的疵点，进而提高其力学性能；另一方面，根据材料的结构决定性能的原理我们知道当材料的尺寸达到纳米级别时，其特殊的结构会使其具有一系列的特异效应，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等，因而纳米级的预氧化纤维与普通预氧化纤维相比，除保留原有性能外，具备更多的优异性能。

近年来，由于静电纺丝操作方便，原料来源广泛，可在室温下纺丝，且静电纺丝是加工纳米纤维最为简单有效的手段，因此静电纺纳米纤维受到了越来越多的研究者的关注。静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下在Taylor锥顶被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。因此，传统的静电纺丝工艺收集到的纳米纤维主要是以杂乱无章的无纺布的形式存在的，但对静电纺丝工艺进行改进，可获得取向纳米纤维纱线，为预氧化纤维以及碳纤维的制备提供一种优异的预前体。

检索国内外有关聚丙烯腈基预氧纤维方面的文献和专利结果表明：目前还没有关于用静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置，该方法操作简单，采用该装置进行静电纺丝得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线条干均匀，有望在碳纤维制造领域得到广泛的应用。

本发明的一种静电纺丝装置，包括：第一喷丝头、第二喷丝头、金属圆形靶、绝缘杆、第一电机、第二电机，空心金属杆、纱筒、高压静电发生器正极、高压静电发生器负极，所述的第一喷丝头和第二喷丝头分别连接高压静电发生器正极以及高压静电发生器负极；所述的纱筒与第二电机相连；所述的金属圆形靶与一端连接有第一电机的绝缘杆相连；所述的空心金属杆固定且带有尖端，除尖端外，其余部分喷有绝缘漆。

所述的第一喷丝头与第二喷丝头之间的距离为3～30cm。

所述的金属圆形靶与空心金属杆之间的距离为3～30cm。

本发明的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，包括：

（1）制备纺丝液：将聚丙烯腈（PAN）溶解在有机溶剂中，搅拌至完全溶解，静置脱泡，得到纺丝溶液；

（2）采用上述的静电纺丝装置进行静电纺丝，将步骤（1）得到的纺丝溶液输送到各喷丝头中，开始静电纺丝，从两个喷丝头中喷出的射流形成取向的纳米纤维束，然后经加捻、卷绕成形，获得聚丙烯腈纳米纤维纱线；

（3）将步骤（2）得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线在150-300℃的含氧气体中进行预氧化热定型，得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线。

步骤（1）中所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺（DMF）。

步骤（1）中所述的纺丝溶液的质量浓度为5～30%。

步骤（2）中所述的静电纺丝中，正电压为3～50kV，负电压为-3～-50kV，金属圆形靶的转速为1～10000rpm，纱筒的转速为1～1000rpm。

步骤（3）中所述的含氧气体为氧气或空气。

有益效果：

（1）本发明的制备方法简单，易于操作；

（2）本发明通过改进静电纺丝装置，对静电纺丝方法进行了改造，经取向、集束、加捻、卷绕成型，制备得到了聚丙烯腈纳米纤维纱线，纱线条干均匀，并且纺纱过程中可以达到半小时以上无断头；