[发明专利]聚酰亚胺/聚丙烯腈基共混预氧化纤维的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维技术领域，尤其涉及一种聚酰亚胺(PI)与聚丙烯腈(PAN)共混预氧化纤维的制造方法。

背景技术

制备碳纤维的原料有很多，如聚丙烯腈(PAN)、沥青、黏胶纤维、纤维素纤维、酚醛、聚苯并噻唑等，但目前能达到工业化生产的只有黏胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维三种。黏胶基碳纤维主要用作耐烧蚀和隔热材料，但其产量低，不足世界碳纤维总产量的1％；PAN基碳纤维具有较高的强度和模量，生产工艺简单，其产量占当前世界碳纤维总产量的90％以上；以中间相沥青为原料制备的沥青基碳纤维比PAN基碳纤维有更好的传热、导电性能和低的热膨胀系数，但是由于沥青基碳纤维对于原料的选择要求较高，只有在原料和工艺控制很严格的情况下才能获得高导热碳纤维，同时由于在沥青基体制备方面仍存在问题，主要是性能好、稳定性高的中间相沥青的制备难度较大，大大阻碍了沥青基碳纤维的发展。因此，立足制备高导电高导热碳纤维，从原料结构出发，寻找新型碳纤维前驱体势在必行。

聚酰亚胺(PI)是一种芳杂环聚合物，具有优良的耐热性(玻璃化温度高于300℃)，化学稳定性，介电性能和高强度，其产品开发始于60年代，随后，作为高性能聚合物被广泛应用在电子、航空航天等多个领域。近年来，随着合成PI用各种二酐、二胺单体的工业化和低成本化，以及PI合成和加工技术的进步，使得PI的研究和产品开发进程大大加快，应用领域不断拓宽。PI本身的芳杂环骨架结构和高的含碳量，使得PI具有优良的石墨化的特质，可获得具有高度石墨化、良好的电导率和高磁致电阻的碳材料。PI纤维具有高取向结构优势，因此认为PI纤维是制备碳纤维材料的优良原料。

PI纤维与预氧化PAN纤维存在很多相通之处。在阻燃性能方面，PI纤维具备优异的耐热性能和良好的耐燃性，极限氧指数(LOI)一般在35％-75％，具有发烟率低的特点，属于自熄性材料。而经过预氧化处理后的半碳PAN纤维保留了母体的某些物理性能，因其部分碳化结构，而有非常高的耐热性和内在耐燃性，LOI一般可达55％。因此，研究和完善PAA/PAN初生纤维在一定温度下的热处理工艺，有望获得能够在阻燃性方面发挥协同作用的新型高性能共混纤维。

本发明是基于PAN与PI前驱体(聚酰胺酸-PAA)在共溶剂(DMSO，DMF、DMAC、NMP等)中良好的混溶性，采用PAA/PAN共混溶液为纺丝液进行纺丝，在对纤维的热处理过程中完成PAA的环化和PAN的预氧化，获得PI/PAN共混纤维。这种方法所在制备的共混纤维兼具PI和PAN纤维的特点，具有优异的力学、阻燃、耐高温等性能，其本身即可以作为一种新型高性能纤维使用，也可以作为碳纤维的前驱体制备碳纤维。

发明内容

本发明的首要目的在于以聚酰胺酸与聚丙烯腈共混物为纺丝液，通过层式热稳定化处理制备聚酰亚胺/聚丙烯腈共混预氧化纤维，进一步提高其性能，尤其力学性能。

本发明的另一个目的在于提供上述聚酰亚胺/聚丙烯腈共混预氧化纤维的制备方法。

聚酰亚胺/聚丙烯腈共混预氧化纤维的制备方法，其特征包括以下步骤：

A：首先利用二胺和二酐间的反应，通过溶液聚合的方法，制备聚酰胺酸(PAA)溶液；

B：惰性气体保护或者空气中，在溶剂中溶解聚丙烯腈聚合物粉料，通过机械搅拌使粉体完全溶解。

C：惰性气体保护或者空气中，将A、B两步骤中所获得的聚合物溶液，按照PAN占PAA(不计溶剂)组分质量分数2％-80％(优选区间10％-40％，最优点25％-30％)进行共混，通过机械搅拌，使二者混合均匀，获得PAA/PAN共混纺丝液。

D：对C步骤所制备的共混纺丝液进行消泡处理后，通过湿法或干湿法纺丝，制备PAA/PAN共混初生纤维。

E：对D步骤制备的初生纤维进行热处理制备PAA/PAN共混原丝，所述的层式热稳定化炉为4个区，每个区的温度是：第一区60-90℃，第2区70-100℃，第三区80-120℃，第四区110-160℃，获得PAA/PAN共混原丝，4个区的温度依次升高；

F：对E步骤制备的原丝进行层式热稳定化处理制备PI/PAN共混预氧化纤维，所述的层式热稳定化炉为4个区，每个区的温度是：第一区180-210℃，第2区200-240℃，第三区230-270℃，第四区260-300℃，4个区的温度依次升高；其每个区的牵伸比是：第1区：1-2，第2区：1-2，第3区：1-2，第4区：-1.5-1。