[发明专利]一种增塑熔融纺商品级活性PAN原丝的制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种增塑熔融纺商品级活性PAN原丝的制备方法与应用。选择粘均分子量为5‑7×10⁴g/mol共聚PAN为原料，[Bmim]Cl为增塑剂，十二烷基苯磺酸钠为分散剂，采用机械共混方式进行混合。采用单螺杆纺丝机进行纺丝，熔融共混区温度需达到270℃。喷丝板孔数36孔，孔径0.3mm，泵供量35g/min，螺杆转速100‑200r/min。纺丝车间温度10‑20℃，纺程3‑5m，牵引辊300‑400m/min，底层、中层及上层罗拉牵伸倍数分别为2‑2.5、1.5‑2、1.2‑1.5。将原丝用20‑30℃去离子水浸泡12‑24h，并在40‑50℃烘箱中烘干。原丝结构完善，含有大量活性自由基。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种增塑熔融纺商品级活性PAN原丝的制备方法及其应用。

背景技术

商品级聚丙烯腈(PAN)原丝由于第二、三共聚单体未优化选择，部分单体对后续稳定化进程起阻碍作用，导致稳定化纤维结构不可控；同时，较高的单体含量(大约10mol％)对稳定化阶段环化行为的持续性造成了一定的阻碍。因此，原丝稳定化时间过长，结构不可控。为了降低稳定化时间及改善结构，国内外研究学者将精力集中于采用新技术优化商品级PAN原丝结构以适应后续稳定化阶段的高温侵蚀，目前采用射线照射或等离子处理技术对原丝进行预处理成为普遍研究方向。通过化学改性引入自由基引发环化、交联反应，形成耐热梯形结构，提高了后续稳定化效率，优化了CFs性能。

目前，原丝预处理技术存在部分不足，首先，工艺需严格调控以确保改性效果，同时，应尽可能避免对原丝外观结构造成破坏，其调控难度较大。其次，原丝成型后的预处理改性方式难以赋予原丝内外层结构相同的改性效果，将对稳定化纤维及最终CFs的结构均质化产生影响，最终影响CFs性能。最后，添加任何一道预处理工序都增加了CFs的制备成本以及CFs性能的调控难度。

CN101759837B公开的一种在离子液体中制备高性能碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的法，该专利采用离子液体作为反应溶剂聚合聚丙烯腈，并采用二甲基亚砜作为溶剂溶液纺制备原丝，但该发明中有机溶剂的使用量大，对环境友好度低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增塑熔融纺商品级活性 PAN原丝的制备方法及其应用，该方法基于增塑熔融纺丝工艺，在原丝成形过程中利用热诱导效应促使分子链形成环化结构，并生成大量活性自由基。通过对原料、纺丝工序及工艺的严格把控，部分自由基能够在熔体细流冷却形成长丝时得以保留，因此所制备原丝具备高活性，含大量自由基，有利于后续的稳定化及碳化进程，适合用作制备高性能碳纤维的前驱体。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增塑熔融纺商品级活性PAN原丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选择共聚PAN粉末作为原料，选择商品级高纯度[Bmim]Cl作为增塑剂，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，采用机械共混的方式将PAN、 [Bmim]Cl与十二烷基苯磺酸钠进行混合得共混物；

步骤2，将共混物在双螺杆共混仪设备中进行熔融共混，设备熔融温度各区不高于150℃，挤出的熔融物为长条，并采用切粒机进行切粒，严格控制环境温度不高于25℃，湿度不大于10％，将切割好的颗粒放置于干燥器中，并控制环境温度不高于35℃；

步骤3，采用单螺杆熔融纺丝机进行纺丝，纺丝机熔融共混区各区温度严格控制为150℃、180℃、220℃、250℃、270℃、220℃，喷丝组件设备的温度控制不高于220℃；熔融纺丝机单螺杆转速100-200r/min，物料在螺杆中的停留时间不低于10min，以充分激活分子链上的活性自由基；控制纺丝车间的温度为 10-20℃，纺程(喷丝口至牵引棍的距离)3-5m，采用同步多级辊牵伸工艺，牵引辊速度300-400m/min，底层罗拉牵伸倍数为2-2.5，中层罗拉牵伸倍数1.5-2，上层罗拉牵伸倍数1.2-1.5；