CN105088378A - 一种静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为5～8wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；(3)在100～110℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。采用本发明的方法得到的聚丙烯腈纳米纤维的直径为100～200nm，直径分布比较均匀，没有串珠和断丝，而且纤维的力学性能优异。

Description

一种静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维的方法
技术领域
本发明涉及纳米纤维的制备方法，尤其涉及一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法。
背景技术
聚丙烯睛碳纤维因其具有高比强度、高比模量等诸多特性已经被广泛应用于航空航天工业以及军工上。随着对碳纤维制品的不断开发和应用，碳纤维必将成为一种可以形成庞大产业带的基础产品。如今制备碳纳米纤维的方法有很多种，静电纺丝法是目前为止能够直接连续制备聚合物纳米纤维的方法之一。
静电纺丝是通过强电场作用使得聚合物溶液或熔体发生喷射作用而制备纤维的一种新型纺丝技术。聚合物静电纺丝时大多是在溶液形式下进行，只有少数是在熔融状态下进行。静电纺丝根据高压电场下导电液体产生喷射的原理，在熔体或溶液上通几千伏以上的高压，使得喷丝头末端的液滴被电场加拉成圆锥状(即Taylor锥)，当电场强度超过某一临界值后，即临界电场力时，形成射流，射流由于受到拉伸作用，在经过溶剂的挥发或者熔体的冷却后，最终在接收屏上得到亚纳米甚至是纳米级的超细纤维。1934年，美国Formals在静电力下，采用醋酷纤维素(CA)进行溶液纺丝，此后人们对溶液纺丝进行了大量的研究，20世纪90年代以来，由于纳米热潮的到来而使溶液纺丝迅速兴起。
CN102586920A公开了一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，包括(1)配制RAFT聚合体系，包括单体、自由基引发剂、二甲基亚砜以及RAFT试剂；进行RAFT聚合制备得到“活性”聚合物聚丙烯腈；将所述聚合物溶于溶剂中，配制成质量分数10～20％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液进行静电纺丝，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。但是该发明的聚丙烯腈溶液浓度较大，且工艺参数设置不是特别合理，使得到的聚丙烯腈纳米纤维的直径较大，影响了其力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，采用本发明所述方法得到的纳米纤维的力学性能优异。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，
(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为5～8wt％聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；
(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；
(3)在100～110℃(例如101℃、102℃、103℃、104℃、105℃、106℃、107℃、108℃或109℃)，优选108℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。
优选地，所述聚丙烯腈的浓度即为聚丙烯腈的质量除以溶剂的质量。聚丙烯腈浓度过大，得到的纳米纤维的直径过粗，力学性能降低。聚丙烯腈浓度过大，容易产生串珠。
所述静电纺丝的纺丝电压为10～25kV，例如11kV、12kV、13kV、14kV、15kV、16kV、17kV、18kV、19kV、20kV、21kV、22kV、23kV或24kV，优选16kV。电压过小，不容易成丝，电压过大，直径过小，影响强度。
所述静电纺丝的注射速度为0.3～0.8mm/h，例如0.35mm/h、0.4mm/h、0.45mm/h、0.5mm/h、0.55mm/h、0.6mm/h、0.65mm/h、0.7mm/h或0.75mm/h。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)采用本发明的方法得到的聚丙烯腈纳米纤维的直径为100～200nm，直径分布比较均匀，没有串珠和断丝。
(2)本发明通过在一定的条件下进行热牵伸，提高了纳米纤维的结晶度和取向度，提高了其力学性能，拉伸强度可达420MPa以及以上。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，
(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为5wt％聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；
(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；
(3)在100℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。
所述静电纺丝的纺丝电压为10kV。
所述静电纺丝的注射速度为0.3mm/h。
实施例2
一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，
(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为8wt％聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；
(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；
(3)在110℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。
所述静电纺丝的纺丝电压为25kV。
所述静电纺丝的注射速度为0.8mm/h。
实施例3
一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，
(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为5wt％聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；
(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；
(3)在105℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。
所述静电纺丝的纺丝电压为15kV。
所述静电纺丝的注射速度为0.5mm/h。
实施例4
其余与实施例1相同，除热牵伸温度为110℃。
实施例5
其余与实施例1相同，除热牵伸温度为108℃。
对比例1
其余与实施例1相同，除热牵伸的温度为90℃。
对比例2
其余与实施例相同，除热牵伸的温度为120℃。
对实施例1～5以及对比例1～2的纳米纤维进行力学性能测试，结果如下：
热牵伸的温度过低，结晶度和取向度提升不够，导致力学性能较低，热牵伸的温度过大，导致纤维出现断丝，导致力学性能降低。本发明通过对热牵伸温度的选择，实现了力学性能的优化。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (4)

1.一种聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括配制聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，然后采用静电纺丝工艺制备聚丙烯腈纳米纤维；其中，
(1)配制纺丝溶液：配制聚丙烯腈浓度为5～8wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；
(2)采用步骤(1)所得静电纺丝液进行静电纺丝；
(3)在100～110℃的条件下，进行热牵伸，制备得到聚丙烯腈纳米纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝的纺丝电压为10～25kV，优选16kV。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝的注射速度为0.3～0.8mm/h。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述热牵伸的温度为108℃。
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