专利名称：一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米碳纤维原丝的制备领域，特别涉及一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原 丝的制备方法。
背景技术：
碳纤维是一种大规模使用于工业、体育和民用的高性能纤维，其原丝质量对于碳 纤维的性能具有至关重要的影响。目前最主要的碳纤维产品是通过聚丙烯腈、酚醛树脂、纤 维素以及浙青等通过常规纺丝方法得到的原丝，经碳化处理后得到的。随着近年来纳米技术的热潮，纳米碳纤维也受到了关注。通常用来制备纳米碳纤 维的方法有气相沉积法以及静电纺丝法。气相沉积法虽然能够一定规模的生产碳纳米管和 纳米碳纤维，但是得到的碳纤维理论上无法得到无限长，而静电纺丝则能够通过纺制不同 的纳米碳纤维原丝，再经碳化得到纳米碳纤维，理论上可以实现无限长。但是静电纺丝通常得到的是纳米纤维的无纺布结构，由于纤维极细，且未经过拉 伸取向，因此得到的纤维膜通常强度很差，并且静电纺丝无法像常规纺丝那样得到连续的 纤维，无法通过通常的后处理工艺提高纤维的强度。这些都限制了静电纺产品的应用，特别 是对力学性能有一定要求的领域。目前也有一些方法制备具有高度取向的静电纺丝纤维， 但是这些方法有些是条件限制太多，不具有普适性，另一些则只能得到小规模的高度取向 的纤维，无法放大。目前已经公开的关于静电纺纳米碳纤维的文献，由于原丝的力学性能较差，并且 碳化过程中无法施加张力，静电纺丝碳纤维几乎没有强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法， 该方法不仅可以得到无限长的丝束，并且纤维取向程度很高，且不会随着纺丝过程而改变， 具有良好的稳定性；制得的纳米纤维原丝用于下一步碳化力学性能较好，也可在碳化过程 中施加张力，在碳化后可得到力学性能较好的纳米碳纤维，具有良好的应用前景。本发明的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，包括(1)将聚丙烯腈和溶剂按质量比为1 7 16混合，在50-100°C下搅拌至完全溶 解，干喷湿法静电纺丝得纤维；(2)上述纤维进入凝固浴后，用l-300m/min的线速度将其卷绕，得到1-200根纳米 纤维束；(3)将上述纳米纤维束并股并加捻得到纱线，经牵伸、水洗、热辊烘干得到纳米碳 纤维原丝。所述步骤(1)中的聚丙烯腈分子量为6万-30万，其中90%以上的链段为丙烯腈， 其余为丙烯酸甲酯、衣康酸、丙烯酸、丙烯酰胺或苯乙烯磺酸钠。所述步骤(1)中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。
所述步骤(1)中的干喷湿法静电纺丝工艺参数为电压8_30kV，单头挤出速率为 0. 25-3ml/h,喷丝头数量为1-200个。所述步骤(2)中的凝固浴组成为体积比为10 0-1的水和溶剂，溶剂为N，N-二
甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺或二甲亚砜。所述步骤(3)中的牵伸倍数为1-6倍。制得的纳米碳纤维原丝单丝的平均直径为50-2000nm，单束纤维束的直径为 0. 005-lmm，强度为 50MPa_500MPa。本发明的是将利用干喷湿法静电纺丝，将静电纺的射流在凝固浴中凝固，再通过 辊筒卷绕收集，得到的纤维相互之间粘结很少，且具有很好的取向度，将纤维束并股加捻 后，可以用常规的牵伸和热定型工艺进行加工，得到具有良好力学性能的纳米纤维纱线。所 得纱线无论从形态还是力学性能，都可以用于进一步碳化，得到具有高比表面积和高强度 的纳米碳纤维。有益效果(1)本发明通过干喷湿法静电纺丝——卷绕过程，不仅可以得到无限长的丝束，并 且纤维取向程度很高，且不会随着纺丝过程而改变，具有良好的稳定性；由于通过凝固浴凝 固，纤维表面经过双扩散快速固化，纤维之间相互粘结减少，有利于牵伸过程；通过纳米纤 维纱线的形式进行牵伸和热处理，使整个牵伸和热处理过程变得相对简单；(2)制得的纳米纤维原丝用于下一步碳化力学性能较好，也可在碳化过程中施加 张力，在碳化后可得到力学性能较好的纳米碳纤维，可用于复合材料增强、电磁屏蔽、传感 器、超级电容器、电池阳极材料、催化剂载体等方面，具有良好的应用前景。
图1为实施例3制得的聚丙烯腈基纳米碳纤维丝束；图2为实施例6制得的聚丙烯腈基纳米碳纤维丝束。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。(实施例中，纤维的强度是采用“GB/T14344-93《合成纤维长丝及变形丝断裂强力 及断裂伸长试验方法》”的规定进行检测。)实施例1将6万分子量聚丙烯腈按质量比1 16混合于二甲亚砜中，在50°C下加热搅拌至 聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以0. 75ml/h，15kV电压干喷湿法静电纺丝得纤维，进入凝固 浴(由体积比为10 0.7的水和N，N-二甲亚砜组成)后以lm/min的速度卷绕得到丝束， 将单根丝束不经拉伸，直接水洗烘干得到纱线，单丝直径250nm，单根丝束直径0. 3mm,强度 为 50MPa。实施例2将14万分子量聚丙烯腈按质量比1 10混合于N，N-二甲基乙酰胺中，在80°C加热搅拌至聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以0. 25ml/h，8kV电压干喷湿法静电纺丝得纤维， 进入凝固浴(由体积比为10 1的水和N，N- 二甲基乙酰胺组成)后以5m/min的速度卷 绕得到丝束，将100股丝束并股加捻，在蒸气浴中进行2倍牵伸倍率，直接水洗烘干，得到的 纱线单丝直径150nm，单根丝束直径0. 1mm，强度为150MPa。 实施例3将8万分子量聚丙烯腈按质量比1 10混合于N，N-二甲基乙酰胺中，在80°C加 热搅拌至聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以0. 5ml/h, 12kV电压干喷湿法静电纺丝得纤维，进 入凝固浴(由体积比为10 0. 7的水和N，N- 二甲基乙酰胺组成)后以5m/min的速度卷 绕得到丝束(如图1)，将10股丝束并股加捻，在蒸气浴中进行2倍牵伸倍率，直接水洗烘 干，得到的纱线单丝直径200nm，单根丝束直径0. 14mm，强度为120MPa。实施例4将30万分子量聚丙烯腈按质量比1 6混合于N，N-二甲基甲酰胺中，在100°C 加热搅拌至聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以3ml/h，30kV电压干喷湿法静电纺丝得纤维，进 入凝固浴(由体积比为10 0. 5的水和N，N- 二甲基甲酰胺组成)后以300m/min的速度 卷绕得到丝束，将15股丝束并股加捻，在蒸气浴中进行6倍牵伸倍率，直接水洗烘干，得到 的纱线单丝直径2000nm，单根丝束直径0. 005mm,强度为500MPa。实施例5将30万分子量聚丙烯腈按质量比1 11混合于N，N_二甲基甲酰胺中，在70°C加 热搅拌至聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以0. 3ml/h, IOkV电压干喷湿法静电纺丝得纤维，进 入凝固浴后(由水组成)以30m/min的速度卷绕得到丝束，将200股丝束并股加捻，在蒸气 浴中进行4倍牵伸倍率，直接水洗烘干，得到的纱线单丝直径50nm，单根丝束直径0. Olmm, 强度为420MPa。实施例6将30万分子量聚丙烯腈按质量比1 17混合于N，N_ 二甲基甲酰胺中，在100°C 加热搅拌至聚丙烯腈完全溶解，所得溶液以lml/h，24kV电压干喷湿法静电纺丝得纤维，进 入凝固浴后(由体积比为10 0. 6的水和N，N- 二甲基甲酰胺组成)以250m/min的速度 卷绕得到丝束(如图2)，将10股丝束并股加捻，在蒸气浴中进行4倍牵伸倍率，直接水洗烘 干，得到的纱线单丝直径lOOOnm，单根丝束直径0. 01mm，强度为330MPa。
权利要求
1.一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，包括(1)将聚丙烯腈和溶剂按质量比为1 7 16混合，在50-100°C下搅拌至完全溶解， 干喷湿法静电纺丝得纤维；(2)上述纤维进入凝固浴后，用l-300m/min的线速度将其卷绕，得到1_200根纳米纤维束；(3)将上述纳米纤维束并股并加捻得到纱线，经牵伸、水洗、热辊烘干得到纳米碳纤维原丝。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 所述步骤(1)中的聚丙烯腈分子量为6万-30万，其中90%以上的链段为丙烯腈，其余为丙 烯酸甲酯、衣康酸、丙烯酸、丙烯酰胺或苯乙烯磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 所述步骤⑴中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜。
4.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 所述步骤(1)中的干喷湿法静电纺丝工艺参数为电压8-30kV，单头挤出速率为0.25-3ml/ h，喷丝头数量为1-200个。
5.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 所述步骤(2)中的凝固浴组成为体积比为10 0-1的水和溶剂，溶剂为N，N-二甲基甲酰 胺、N，N- 二甲基乙酰胺或二甲亚砜。
6.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 所述步骤(3)中的牵伸倍数为1-6倍。
7.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，其特征在于 制得的纳米碳纤维原丝单丝的平均直径为50-2000nm，单束纤维束的直径为0. 005_lmm，强 度为 50MPa-500MPa。
全文摘要
本发明涉及一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法，包括(1)将聚丙烯腈和溶剂按质量比为1∶7～16混合，在50-100℃下搅拌至完全溶解，干喷湿法静电纺丝得纤维；(2)上述纤维进入凝固浴后，用1-300m/min的线速度将其卷绕，得到1-200根纳米纤维束；(3)将上述纳米纤维束并股并加捻得到纱线，经牵伸、水洗、热辊烘干得到纳米碳纤维原丝。本发明不仅可以得到无限长的丝束，并且纤维取向程度很高，且不会随着纺丝过程而改变，具有良好的稳定性；制得的纳米纤维原丝用于下一步碳化力学性能较好，也可在碳化过程中施加张力，在碳化后可得到力学性能较好的纳米碳纤维，具有良好的应用前景。
文档编号D01F6/38GK102102233SQ20101059261
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者何媛, 俞昊, 朱墨, 朱树琦, 朱美芳 申请人:东华大学