一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维的制备方法，属于聚丙烯腈碳纤维制备技术领域。本发明通过将鞣酸雾化，在碳纤维静电纺丝过程中，通过鞣酸中小分子物质，插入碳纤维分子链间，降低了碳纤维分子之间的作用力，使分子链间作用力大大降低，减少其摩擦与粘连，同时在外力场作用下，使碳纤维分子链节之间重排，增强其致密性，提高聚丙烯腈碳纤维抗拉强度和拉伸强度，本发明制备的改性聚丙烯腈碳纤维断裂伸长率可达110%以上，拉伸强度可达1350kg/cm2以上，且制备步骤简单，绿色环保，对人体无害，无污染。
【专利说明】
一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维的制备方法，属于聚丙烯腈碳纤维制备技术领域。
【背景技术】
[0002]聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺简单，具有较高的碳化收率，且力学性能优良，自20世纪60年代以来取得了长足发展，是当前碳纤维工业生产的主流。碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料使用。碳纤维复合材料的性能不仅取决于其组成材料，也取决于其组成材料之间的界面质量，良好的界面结合能有效地传递载荷，充分发挥增强纤维高强高模的特性，提高复合材料的力学性能。
[0003]但是现有制备的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝强度低，严重影响碳纤维拉伸强度，在一定的范围内，碳纤维抗拉强度随着原丝强力的提高而提高，同时在制备的聚丙烯腈碳纤维中，绝大多数缺陷是碳纤维表面缺陷，这主要是由于单丝之间的粘连和摩擦，损伤原丝表面造成表面缺陷而造成的，所以需要一种有效的改性聚丙烯腈碳纤维的方法很有必要。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题:针对现有制备的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维拉伸强度低，且单丝之间的粘连和摩擦，损伤原丝表面造成表面缺陷的问题，通过了一种将鞣酸雾化，在碳纤维静电纺丝过程中，通过鞣酸中小分子物质，插入碳纤维分子链间，降低了碳纤维分子之间的作用力，使分子链间作用力大大降低，减少其摩擦与粘连，同时在外力场作用下，使碳纤维分子链节之间重排，增强其致密性的方法，提高聚丙烯腈碳纤维抗拉强度和拉伸强度。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是:
(1)按质量比1:5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在85?90 °C下水浴加热45?60min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于200?300W下超声分散处理10?15min，制备得聚丙烯腈分散液；
(2)按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至3?5MPa，在10000?15000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在10?15kV、接收距离为10?15cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h;
(3)待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于65?80 °C下干燥20?24h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维；
(4)将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在85?90°C管式炉中活化处理10?15min，随后按10°C/min缓慢升温至250?300°C，对其预氧化处理25?30min; (5)待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至950?1000 °C，使其炭化处理25?30min，待炭化完成后，停止加热，将步骤(2)采用的鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
[0006]本发明制备的改性聚丙烯腈碳纤维断裂伸长率为110%，拉伸强度可达1300kg/cm2，杨氏模量可达15GPa以上。
[0007]本发明与其他方法相比，有益技术效果是:
(1)本发明制备的改性聚丙烯腈碳纤维断裂伸长率可达110%以上，拉伸强度可达1350kg/cm2 以上；
(2)本发明制备步骤简单，绿色环保，对人体无害，无污染。
【具体实施方式】
[0008]首先按质量比1:5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在85?90°C下水浴加热45?60min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于200?300rf超声分散处理10?15min，制备得聚丙烯腈分散液;按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至3?5MPa，在10000?15000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在10?15kV、接收距离为10?15cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h;待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于65?80°C下干燥20?24h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维;将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在85?90°C管式炉中活化处理10?15min，随后按10°C/min缓慢升温至250?300°C，对其预氧化处理25?30min;待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至950?1000 °C，使其炭化处理25?30min，待炭化完成后，停止加热，将步骤(2)采用的鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
[0009]实例I
首先按质量比1: 5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在85°C下水浴加热45min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于200W下超声分散处理1min，制备得聚丙烯腈分散液;按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至3MPa，在10000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在10kV、接收距离为1cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h;待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝1h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于65°C下干燥20h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维;将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在85°C管式炉中活化处理lOmin，随后按10°C/min缓慢升温至250°C，对其预氧化处理25min;待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至950°C，使其炭化处理25min，待炭化完成后，停止加热，将鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤3次，再在65 °C下干燥6h，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
[0010]实例2
首先按质量比1: 5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在87°C下水浴加热52min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于250W下超声分散处理12min，制备得聚丙烯腈分散液;按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至4MPa，在12000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在12kV、接收距离为12cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h;待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝12h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于75°C下干燥22h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维;将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在87°C管式炉中活化处理12min，随后按10°C/min缓慢升温至275°C，对其预氧化处理27min;待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至975°C，使其炭化处理27min，待炭化完成后，停止加热，将鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤4次，再在75 °C下干燥7h，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
[0011]实例3
首先按质量比1: 5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在90°C下水浴加热60min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于300W下超声分散处理15min，制备得聚丙烯腈分散液;按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至5MPa，在15000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在15kV、接收距离为15cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h;待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于80°C下干燥24h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维;将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在90°C管式炉中活化处理15min，随后按10°C/min缓慢升温至300°C，对其预氧化处理30min;待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至100tC，使其炭化处理30min，待炭化完成后，停止加热，将鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤5次，再在80°C下干燥Sh，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
【主权项】
1.一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维的制备方法，其特征在于具体制备步骤为: (1)按质量比1:5，将聚丙烯腈树脂添加二甲基甲酰胺中，搅拌混合并置于三口烧瓶中，在85?90 °C下水浴加热45?60min，待水浴加热完成后，将三口烧瓶置于200?300W下超声分散处理10?15min，制备得聚丙烯腈分散液； (2)按质量比1:10，将鞣酸与去离子水搅拌混合，制备得鞣酸溶液，将其置于雾化装置中，随后对雾化装置中压缩机内通入氮气至3?5MPa，在10000?15000m3/h气流作用下，将鞣酸溶液吹散为雾状液滴，随后将鞣酸雾化装置置于静电纺丝装置上方，并将上述制备的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，在10?15kV、接收距离为10?15cm条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h; (3)待注射纺丝开始后，打开雾化装置，将雾化鞣酸溶液沉降至聚丙烯腈纤维表面，待静电纺丝10?15h后，收集鞣酸改性聚丙烯腈纤维，将其置于65?80 °C下干燥20?24h，制备得干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维； (4)将上述制备的干燥鞣酸改性聚丙烯腈纤维置于坩祸中，在85?90°C管式炉中活化处理10?15min，随后按10°C/min缓慢升温至250?300°C，对其预氧化处理25?30min; (5)待预氧化完成后，对管式炉中通氮气排除空气，随后在氮气气氛下，按5°C/min缓慢升温至950?1000 °C，使其炭化处理25?30min，待炭化完成后，停止加热，将步骤(2)采用的鞣酸雾化装置对其冷却降温至室温，随后停止雾化降温，制备得冷却改性聚丙烯腈碳纤维，随后用无水乙醇洗涤3?5次，再在65?80°C下干燥6?8h，即可制备得一种雾化鞣酸改性聚丙烯腈碳纤维。
【文档编号】D01F9/22GK105951217SQ201610477434
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】高大元, 高玉刚
【申请人】高大元