專利名稱：一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于聚丙烯腈原絲的制備領域，特別涉及一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈
原絲的方法。
背景技術：
碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛應用在高科 技工業(yè)領域，特別是在航空航天領域具有極大的應用前景，被譽為21世紀最有生命力的新 型材料。碳纖維的性能在很大程度上取決于原絲，多年來PAN原絲的質量不過關已成為制 約我國碳纖維工業(yè)發(fā)展的瓶頸，如何有效的改進PAN原絲的質量，進而碳纖維的性能，已經 破在眉睫。原絲的質量上不去是制約我國碳纖維發(fā)展的主要原因之一，國產原絲同國外原 絲相比，存在著纖度大、強度低、離散系數大、缺陷、裂紋與孔洞多、結晶取向較小等差距，這 些差距是國產原絲制備中存在的最嚴重的問題。就原絲質量與產量而言，質量是當前的主 要問題。國內原絲生產出的碳纖維強度大都在3.5GPa左右，滿足不了當前的使用需求，使 其應用受到限制。同時原絲質量的穩(wěn)定性差有礙于規(guī)?；a。 我們知道目前聚丙烯腈原絲的制備方法都是按照常規(guī)的紡絲方法，例如干法紡 絲、濕法紡絲、干濕法紡絲，用這些方法制備的聚丙烯腈纖維都具有皮芯結構，為了獲得結 構均一、無皮芯結構的原絲，需要引入了一種新的紡絲方法，迄今為止，關于采用凝膠紡絲 制備聚丙烯腈原絲的方法尚未見相關報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，
該制備方法操作簡單，原料來源方便，成本低，對環(huán)境友好，適合工業(yè)化生產；制備得到的原
絲結構均一，無皮芯結構從而提高碳纖維的拉伸強度。 本發(fā)明的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，包括 (1)將無水聚丙烯腈粉末與溶劑按質量比5 : 95 20 : 80混合，在7(TC 11(TC
的油浴中加熱l-2h，使其完全溶解； (2)在上述溶液中加入占溶液質量分數2% _5%的小分子凝膠劑，機械攪拌1 2 小，均勻混合得紡絲液； (3)將紡絲液轉移到濕法紡絲機上進行紡絲，得到聚丙烯腈原絲。 所述步驟(1)中的溶劑為二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亞砜
DMSO、 NaSCN、 HN03或ZnCl2中的一種； 優(yōu)選的溶劑為DMF或DMSO ; 所述步驟(1)中聚丙烯腈粉末與溶劑的質量比為10 : 90 ;油浴溫度為90°C
100°C ; 所述步驟(2)中的小分子凝膠劑選自1120、丙三醇、乙二醇、尿素、硫脲中的一種或 幾種的混合物，小分子凝膠劑的分子量為18-150 ;
所述步驟(3)中的紡絲的工藝為紡絲溫度6(TC，凝固浴溫度10-2(TC，一級水洗 75。C，二級水洗IO(TC。 本發(fā)明采用凝膠紡絲法在紡絲液中加入一些非溶劑，在冷卻的空氣層通過熱致變 凝膠化直接使原液轉變?yōu)槿S網絡結構。這種結構一旦形成，在凝固浴中只有溶劑和非溶 劑的雙擴散過程，而不會發(fā)生相分離，所以避免了皮芯結構，這樣就可以提高聚丙烯腈基碳 纖維原絲的拉伸強度，進而提高碳纖維的拉伸強度。
有益效果 該制備方法操作簡單，原料來源方便，成本低，對環(huán)境友好，適合工業(yè)化生產；制備 得到的原絲結構均一，無皮芯結構從而提高碳纖維的拉伸強度。


圖1為凝膠劑占溶液重總質量比為2%，紡絲后得到的聚丙烯腈基碳纖維原絲的
SEM截面圖； 圖2為凝膠劑占溶液重總質量比為3%，紡絲后得到的聚丙烯腈基碳纖維原絲的
SEM截面圖； 圖3為凝膠劑占溶液重總質量比為4%，紡絲后得到的聚丙烯腈基碳纖維原絲的
SEM截面圖； 圖4為凝膠劑占溶液重總質量比為5%，紡絲后得到的聚丙烯腈基碳纖維原絲的 SEM截面圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。 實施例1 首先將干燥到無水狀態(tài)的聚丙烯腈粉末5克和匿SO溶劑95克在三口燒瓶中混 合均勻，用油浴加熱lh，并控制其溫度為7(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑 蒸餾水2克，機械攪拌1小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度6(TC，凝固浴溫度 10-2(TC，一級水洗75t:，二級水洗IO(TC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為 4. 31Gpa。圖1為凝膠劑占溶液重總質量比為2%，紡絲后得到的聚丙烯腈原絲的SEM圖片， 其放大倍數為1.5萬倍。從SEM圖可以看出，聚丙烯腈原絲截面為圓形結構，斷面幾乎沒有 孔洞，結構密實，這樣就大大提高了聚丙烯腈基碳纖維原絲的拉伸強度。
實施例2 首先將無水聚丙烯腈粉末10克和DMF溶劑90克在三口燒瓶中混合均勻，用油浴 加熱1. 5h，并控制其溫度為9(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑乙二醇3克，機 械攪拌1小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度60°C ，凝固浴溫度10-20°C ， 一級水 洗75t:，二級水洗IO(TC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為4. 4Gpa。圖2為凝 膠劑占溶液重總質量比為3%，紡絲后得到的聚丙烯腈原絲的SEM圖片，其放大倍數為1. 5萬倍。從SEM圖可以看出，聚丙烯腈原絲截面為圓形結構，斷面幾乎沒有孔洞，結構密實，無
皮芯結構。 實施例3 首先將無水聚丙烯腈粉末10克和DMAc溶劑90克在三口燒瓶中混合均勻，用油浴 加熱1.5h，并控制其溫度為9(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑丙三醇4克，機 械攪拌一小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度60°C ，凝固浴溫度10-20°C ， 一級 水洗75t:，二級水洗IO(TC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為4. 2Gpa。圖3 為凝膠劑占溶液重總質量比為4%，紡絲后得到的聚丙烯腈原絲的SEM圖片，其放大倍數為 2.5萬倍。從SEM圖可以看出，聚丙烯腈原絲截面為圓形結構，斷面幾乎沒有孔洞，結構密 實。 實施例4 首先將無水聚丙烯腈粉末5克和NaSCN溶劑95克在三口燒瓶中混合均勻，用油浴 加熱lh，并控制其溫度為IO(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑尿素5克，機械 攪拌一小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度6(TC，凝固浴溫度10-20°C， 一級水 洗75t:，二級水洗10(rC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為4. 5Gpa。圖4為凝 膠劑占溶液重總質量比為5%，紡絲后得到的聚丙烯腈原絲的SEM圖片，其放大倍數為1. 5 萬倍。從SEM圖可以看出，聚丙烯腈原絲截面結構均一、無皮芯結構，斷面幾乎沒有孔洞，結 構密實，這樣就大大提高了聚丙烯腈基碳纖維原絲的拉伸強度。
實施例5 首先將無水聚丙烯腈粉末5克和ZnCl2溶劑95克在三口燒瓶中混合均勻，用油浴 加熱2h，并控制其溫度為IO(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑硫脲2克，機械 攪拌一小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度60°C ，凝固浴溫度10-20°C ， 一級水 洗75t:，二級水洗IO(TC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為4. 51Gpa。
實施例6 首先將無水聚丙烯腈粉末20克和HN03溶劑80克在三口燒瓶中混合均勻，用油浴 加熱2h，并控制其溫度為ll(TC，使其完全溶解。溶解后加入小分子凝膠劑丙三醇2克和 乙二醇3克，機械攪拌2小時后，把漿液轉移到紡絲機上紡絲，紡絲溫度6(TC，凝固浴溫度 10-2(TC，一級水洗75t:，二級水洗IO(TC，用凝膠紡絲法制的聚丙烯腈原絲其拉伸強度為 4. 61GPa。
權利要求
一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，包括(1)將無水聚丙烯腈粉末與溶劑按質量比5∶95～20∶80混合，在70℃～110℃的油浴中加熱1-2h，使其完全溶解；(2)在上述溶液中加入占溶液質量分數2％-5％的小分子凝膠劑，機械攪拌1～2小，均勻混合得紡絲液；(3)將紡絲液轉移到濕法紡絲機上進行紡絲，得到聚丙烯腈原絲。
2. 根據權利要求1所述的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，其特征在于 所述步驟(1)中的溶劑為二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亞砜DMSO、NaSCN、 HN03或ZnCl2中的一種。
3. 根據權利要求2所述的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，其特征在于 所述的溶劑為DMF或匿S0。
4. 根據權利要求1所述的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，其特征在于 所述步驟(1)中聚丙烯腈粉末與溶劑的質量比為10 : 90 ;油浴溫度為90°C IO(TC。
5. 根據權利要求1所述的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，其特征在于 所述步驟(2)中的小分子凝膠劑選自^0、丙三醇、乙二醇、尿素、硫脲中的一種或幾種的混 合物，小分子凝膠劑的分子量為18-150。
6. 根據權利要求1所述的一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，其特征在于 所述步驟(3)中的紡絲的工藝為紡絲溫度6(TC，凝固浴溫度10-2(TC，一級水洗75。C，二級 水洗IO(TC。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用凝膠紡絲制備聚丙烯腈原絲的方法，包括將無水聚丙烯腈粉末與溶劑按質量比5∶95～20∶80混合，在70℃～110℃的油浴中加熱1-2h，使其完全溶解；加入占溶液質量分數2％-5％的小分子凝膠劑，機械攪拌1～2小時，均勻混合得紡絲液；最后將紡絲液轉移到濕法紡絲機上進行紡絲，得到聚丙烯腈原絲。該制備方法操作簡單，原料來源方便，成本低，對環(huán)境友好，適合工業(yè)化生產；該方法制備的聚丙烯腈基碳纖維原絲結構均一，沒有皮芯結構，為碳纖維的生產提供了一種優(yōu)質材料，提高了碳纖維的拉伸強度。
文檔編號D01D1/02GK101705523SQ20091019844
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者余木火, 張森, 張毅煒, 張輝, 田銀彩, 榮懷蘋, 董勤禮, 蔡金琳, 韓克清 申請人:東華大學