一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維的制備方法，屬于聚丙烯腈碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過將鞣酸霧化，在碳纖維靜電紡絲過程中，通過鞣酸中小分子物質(zhì)，插入碳纖維分子鏈間，降低了碳纖維分子之間的作用力，使分子鏈間作用力大大降低，減少其摩擦與粘連，同時在外力場作用下，使碳纖維分子鏈節(jié)之間重排，增強(qiáng)其致密性，提高聚丙烯腈碳纖維抗拉強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，本發(fā)明制備的改性聚丙烯腈碳纖維斷裂伸長率可達(dá)110%以上，拉伸強(qiáng)度可達(dá)1350kg/cm2以上，且制備步驟簡單，綠色環(huán)保，對人體無害，無污染。
【專利說明】
一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維的制備方法，屬于聚丙烯腈碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]聚丙烯腈(PAN)基碳纖維生產(chǎn)工藝簡單，具有較高的碳化收率，且力學(xué)性能優(yōu)良，自20世紀(jì)60年代以來取得了長足發(fā)展，是當(dāng)前碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流。碳纖維很少直接應(yīng)用，大多是經(jīng)深加工制成中間產(chǎn)物或復(fù)合材料使用。碳纖維復(fù)合材料的性能不僅取決于其組成材料，也取決于其組成材料之間的界面質(zhì)量，良好的界面結(jié)合能有效地傳遞載荷，充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維高強(qiáng)高模的特性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0003]但是現(xiàn)有制備的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維原絲強(qiáng)度低，嚴(yán)重影響碳纖維拉伸強(qiáng)度，在一定的范圍內(nèi)，碳纖維抗拉強(qiáng)度隨著原絲強(qiáng)力的提高而提高，同時在制備的聚丙烯腈碳纖維中，絕大多數(shù)缺陷是碳纖維表面缺陷，這主要是由于單絲之間的粘連和摩擦，損傷原絲表面造成表面缺陷而造成的，所以需要一種有效的改性聚丙烯腈碳纖維的方法很有必要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有制備的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維拉伸強(qiáng)度低，且單絲之間的粘連和摩擦，損傷原絲表面造成表面缺陷的問題，通過了一種將鞣酸霧化，在碳纖維靜電紡絲過程中，通過鞣酸中小分子物質(zhì)，插入碳纖維分子鏈間，降低了碳纖維分子之間的作用力，使分子鏈間作用力大大降低，減少其摩擦與粘連，同時在外力場作用下，使碳纖維分子鏈節(jié)之間重排，增強(qiáng)其致密性的方法，提高聚丙烯腈碳纖維抗拉強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是:
(1)按質(zhì)量比1:5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在85?90 °C下水浴加熱45?60min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于200?300W下超聲分散處理10?15min，制備得聚丙烯腈分散液；
(2)按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌希苽涞明匪崛芤?，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵??5MPa，在10000?15000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在10?15kV、接收距離為10?15cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h;
(3)待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于65?80 °C下干燥20?24h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維；
(4)將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在85?90°C管式爐中活化處理10?15min，隨后按10°C/min緩慢升溫至250?300°C，對其預(yù)氧化處理25?30min; (5)待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障?，?°C/min緩慢升溫至950?1000 °C，使其炭化處理25?30min，待炭化完成后，停止加熱，將步驟(2)采用的鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
[0006]本發(fā)明制備的改性聚丙烯腈碳纖維斷裂伸長率為110%，拉伸強(qiáng)度可達(dá)1300kg/cm2，楊氏模量可達(dá)15GPa以上。
[0007]本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是:
(1)本發(fā)明制備的改性聚丙烯腈碳纖維斷裂伸長率可達(dá)110%以上，拉伸強(qiáng)度可達(dá)1350kg/cm2 以上；
(2)本發(fā)明制備步驟簡單，綠色環(huán)保，對人體無害，無污染。
【具體實(shí)施方式】
[0008]首先按質(zhì)量比1:5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在85?90°C下水浴加熱45?60min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于200?300rf超聲分散處理10?15min，制備得聚丙烯腈分散液;按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌?，制備得鞣酸溶液，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵??5MPa，在10000?15000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在10?15kV、接收距離為10?15cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h;待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于65?80°C下干燥20?24h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維;將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在85?90°C管式爐中活化處理10?15min，隨后按10°C/min緩慢升溫至250?300°C，對其預(yù)氧化處理25?30min;待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障拢?°C/min緩慢升溫至950?1000 °C，使其炭化處理25?30min，待炭化完成后，停止加熱，將步驟(2)采用的鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
[0009]實(shí)例I
首先按質(zhì)量比1: 5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在85°C下水浴加熱45min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于200W下超聲分散處理1min，制備得聚丙烯腈分散液;按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌?，制備得鞣酸溶液，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵?MPa，在10000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在10kV、接收距離為1cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h;待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲1h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于65°C下干燥20h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維;將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在85°C管式爐中活化處理lOmin，隨后按10°C/min緩慢升溫至250°C，對其預(yù)氧化處理25min;待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障?，?°C/min緩慢升溫至950°C，使其炭化處理25min，待炭化完成后，停止加熱，將鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌3次，再在65 °C下干燥6h，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
[0010]實(shí)例2
首先按質(zhì)量比1: 5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在87°C下水浴加熱52min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于250W下超聲分散處理12min，制備得聚丙烯腈分散液;按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌希苽涞明匪崛芤?，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵?MPa，在12000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在12kV、接收距離為12cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h;待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲12h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于75°C下干燥22h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維;將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在87°C管式爐中活化處理12min，隨后按10°C/min緩慢升溫至275°C，對其預(yù)氧化處理27min;待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障拢?°C/min緩慢升溫至975°C，使其炭化處理27min，待炭化完成后，停止加熱，將鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌4次，再在75 °C下干燥7h，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
[0011]實(shí)例3
首先按質(zhì)量比1: 5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在90°C下水浴加熱60min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于300W下超聲分散處理15min，制備得聚丙烯腈分散液;按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌?，制備得鞣酸溶液，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵?MPa，在15000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在15kV、接收距離為15cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h;待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于80°C下干燥24h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維;將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在90°C管式爐中活化處理15min，隨后按10°C/min緩慢升溫至300°C，對其預(yù)氧化處理30min;待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障?，?°C/min緩慢升溫至100tC，使其炭化處理30min，待炭化完成后，停止加熱，將鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌5次，再在80°C下干燥Sh，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維的制備方法，其特征在于具體制備步驟為: (1)按質(zhì)量比1:5，將聚丙烯腈樹脂添加二甲基甲酰胺中，攪拌混合并置于三口燒瓶中，在85?90 °C下水浴加熱45?60min，待水浴加熱完成后，將三口燒瓶置于200?300W下超聲分散處理10?15min，制備得聚丙烯腈分散液； (2)按質(zhì)量比1:10，將鞣酸與去離子水?dāng)嚢杌旌希苽涞明匪崛芤?，將其置于霧化裝置中，隨后對霧化裝置中壓縮機(jī)內(nèi)通入氮?dú)庵??5MPa，在10000?15000m3/h氣流作用下，將鞣酸溶液吹散為霧狀液滴，隨后將鞣酸霧化裝置置于靜電紡絲裝置上方，并將上述制備的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，在10?15kV、接收距離為10?15cm條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h; (3)待注射紡絲開始后，打開霧化裝置，將霧化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纖維表面，待靜電紡絲10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纖維，將其置于65?80 °C下干燥20?24h，制備得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維； (4)將上述制備的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纖維置于坩禍中，在85?90°C管式爐中活化處理10?15min，隨后按10°C/min緩慢升溫至250?300°C，對其預(yù)氧化處理25?30min; (5)待預(yù)氧化完成后，對管式爐中通氮?dú)馀懦諝?，隨后在氮?dú)鈿夥障?，?°C/min緩慢升溫至950?1000 °C，使其炭化處理25?30min，待炭化完成后，停止加熱，將步驟(2)采用的鞣酸霧化裝置對其冷卻降溫至室溫，隨后停止霧化降溫，制備得冷卻改性聚丙烯腈碳纖維，隨后用無水乙醇洗滌3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制備得一種霧化鞣酸改性聚丙烯腈碳纖維。
【文檔編號】D01F9/22GK105951217SQ201610477434
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】高大元, 高玉剛
【申請人】高大元