CN109137122B - 一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，包括木质素预处理，改性单体，改性聚合物，最后纺丝，本发明引入的硬脂酸钙、离子液体可以起到很好的协同抗热性能，从而提高了成品纤维的耐热稳定性。

Description

一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纤维材料，具体涉及一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法。
背景技术
炭纤维具有高比强度、高比模量、热膨胀系数小等一系列优点，广泛应用于航空航天、能源和体育器材等领域，聚丙烯腈基炭纤维在炭纤维市场上占据主导地位；
然而，聚丙烯腈纤维维导热性差，均聚聚丙烯腈在预氧化过程中放热量大而集中，容易因蓄热导致纤维被烧断，另外，均聚聚丙烯腈炭化收率低，释放的热解产物多，在纤维内部形成大量微孔，导致炭纤维强度降低。因此，如果提高聚丙烯腈纤维的韧性、强度和耐热性能是目前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)取15-20重量份的木质素、2-3重量份的过氧化钠混合，加入到混合料重量20-30倍的去离子水中，升高温度为55-60℃，保温搅拌1-2小时，加入4-7重量份的硬脂酸钙，搅拌均匀，送入到烘箱中，在100-110℃下干燥2-3小时，出料冷却，得预处理木质素；
(2)取上述预处理木质素，加入到40-50重量份的氯化1，3-二甲基咪唑中，搅拌均匀，得木质素分散液；
(3)取200-260重量份的丙烯腈、10-13重量份的丙烯酰氯混合，搅拌均匀，与上述木质素分散液混合，送入到反应釜中，滴加0.1-0.2重量份的缚酸剂，调节反应釜温度为0-5℃，滴加完毕后反应5-7小时，出料，得木质素改性单体；
(4)取5-8重量份的引发剂，加入到其重量20-30倍的去离子水中，搅拌均匀；
(5)取上述木质素改性单体，加入到其重量5-7倍的去离子水中，加入0.3-1重量份的聚山梨酯，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为50-65℃，滴加上述引发剂的水溶液，滴加完毕后保温搅拌4-6小时，加入2-3重量份的β-巯基乙醇，搅拌至常温，出料冷却，得木质素改性聚合物溶液；
(6)取上述木质素改性聚合物溶液，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，得木质素改性聚合物；
(7)取上述木质素改性聚合物，加入到其重量10-13倍的二甲基甲酰胺中，在55-60℃下保温搅拌1-2小时，纺丝，即得所述离子液体改性聚丙烯腈纤维。
所述的缚酸剂为吡啶。
所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种。
所述的纺丝为静电纺丝，纺丝的接收距离为10-15cm，施加电压为10-15kv。
本发明的优点：
本发明首先采用过氧化钠处理木质素，然后与硬脂酸钙共混，改善了木质素的表面活性，然后分散到氯化1，3-二甲基咪唑离子液体中，得到木质素的离子液体分散液，然后以丙烯腈为单体，与丙烯酰氯共混，以该木质素的离子液体分散液为反应溶剂，在缚酸剂的作用下促进木质素的酚羟基与酰氯的反应，从而改善了木质素在单体间的分散性能，之后将该木质素改性单体在引发剂作用下聚合，从而进一步改善了木质素在聚丙烯腈间的分散相容性，同时改善了质素改性聚丙烯腈在二甲基甲酰胺中的分散性能，从而提高了成品纤维力学的韧性和强度，本发明引入的硬脂酸钙、离子液体可以起到很好的协同抗热性能，从而提高了成品纤维的耐热稳定性。
具体实施方式
实施例1
一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)取20重量份的木质素、3重量份的过氧化钠混合，加入到混合料重量30倍的去离子水中，升高温度为60℃，保温搅拌2小时，加入7重量份的硬脂酸钙，搅拌均匀，送入到烘箱中，在110℃下干燥3小时，出料冷却，得预处理木质素；
(2)取上述预处理木质素，加入到50重量份的氯化1，3-二甲基咪唑中，搅拌均匀，得木质素分散液；
(3)取260重量份的丙烯腈、13重量份的丙烯酰氯混合，搅拌均匀，与上述木质素分散液混合，送入到反应釜中，滴加0.2重量份的吡啶，调节反应釜温度为5℃，滴加完毕后反应7小时，出料，得木质素改性单体；
(4)取8重量份的过硫酸钾，加入到其重量30倍的去离子水中，搅拌均匀；
(5)取上述木质素改性单体，加入到其重量7倍的去离子水中，加入1重量份的聚山梨酯，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为65℃，滴加上述引发剂的水溶液，滴加完毕后保温搅拌6小时，加入3重量份的β-巯基乙醇，搅拌至常温，出料冷却，得木质素改性聚合物溶液；
(6)取上述木质素改性聚合物溶液，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，得木质素改性聚合物；
(7)取上述木质素改性聚合物，加入到其重量13倍的二甲基甲酰胺中，在60℃下保温搅拌2小时，纺丝，即得所述离子液体改性聚丙烯腈纤维。
所述的纺丝为静电纺丝，纺丝的接收距离为10cm，施加电压为10kv。
实施例2
一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)取15重量份的木质素、2重量份的过氧化钠混合，加入到混合料重量20倍的去离子水中，升高温度为55℃，保温搅拌1小时，加入4重量份的硬脂酸钙，搅拌均匀，送入到烘箱中，在100℃下干燥2小时，出料冷却，得预处理木质素；
(2)取上述预处理木质素，加入到40重量份的氯化1，3-二甲基咪唑中，搅拌均匀，得木质素分散液；
(3)取200重量份的丙烯腈、10重量份的丙烯酰氯混合，搅拌均匀，与上述木质素分散液混合，送入到反应釜中，滴加0.1重量份的吡啶，调节反应釜温度为0℃，滴加完毕后反应5小时，出料，得木质素改性单体；
(4)取5重量份的过硫酸铵，加入到其重量20倍的去离子水中，搅拌均匀；
(5)取上述木质素改性单体，加入到其重量5倍的去离子水中，加入0.3-1重量份的聚山梨酯，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为50℃，滴加上述引发剂的水溶液，滴加完毕后保温搅拌4小时，加入2重量份的β-巯基乙醇，搅拌至常温，出料冷却，得木质素改性聚合物溶液；
(6)取上述木质素改性聚合物溶液，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，得木质素改性聚合物；
(7)取上述木质素改性聚合物，加入到其重量10倍的二甲基甲酰胺中，在55℃下保温搅拌1小时，纺丝，即得所述离子液体改性聚丙烯腈纤维。
所述的纺丝为静电纺丝，纺丝的接收距离为15cm，施加电压为15kv。
性能测试：
采用济南万测公司生产的WDW-50微机控制电子万能试验机测试本发明纤维的力学性能：
试样夹持距离30mm，拉伸速度3mm/min，初张力为0cN，并且每种样品重复测试20根求其平均值；
测得，本发明实施例1的离子液体改性聚丙烯腈纤维的拉伸强度为8.10Mpa、断裂伸长率为27.88％；
本发明实施例2的离子液体改性聚丙烯腈纤维的拉伸强度为7.97Mpa、断裂伸长率为27.31％。
市售聚丙烯腈纤维的拉伸强度为1.5-37Mpa、断裂伸长率为20-25％；
采用热重分析仪测试本发明纤维的热学性能：
测得，本发明实施例1的离子液体改性聚丙烯腈纤维的软化温度为279℃、热分解温度为301℃；
本发明实施例2的离子液体改性聚丙烯腈纤维的软化温度为285℃、热分解温度为304℃；
市售聚丙烯腈纤维的软化温度为190-230℃，热分解温度为270-280℃。

Claims (4)

1.一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取15-20重量份的木质素、2-3重量份的过氧化钠混合，加入到混合料重量20-30倍的去离子水中，升高温度为55-60℃，保温搅拌1-2小时，加入4-7重量份的硬脂酸钙，搅拌均匀，送入到烘箱中，在100-110℃下干燥2-3小时，出料冷却，得预处理木质素；
（2）取上述预处理木质素，加入到40-50重量份的氯化1，3-二甲基咪唑中，搅拌均匀，得木质素分散液；
（3）取200-260重量份的丙烯腈、10-13重量份的丙烯酰氯混合，搅拌均匀，与上述木质素分散液混合，送入到反应釜中，滴加0.1-0.2重量份的缚酸剂，调节反应釜温度为0-5℃，滴加完毕后反应5-7小时，出料，得木质素改性单体；
（4）取5-8重量份的引发剂，加入到其重量20-30倍的去离子水中，搅拌均匀；
（5）取上述木质素改性单体，加入到其重量5-7倍的去离子水中，加入0.3-1重量份的聚山梨酯，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为50-65℃，滴加上述引发剂的水溶液，滴加完毕后保温搅拌4-6小时，加入2-3重量份的β-巯基乙醇，搅拌至常温，出料冷却，得木质素改性聚合物溶液；
（6）取上述木质素改性聚合物溶液，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，得木质素改性聚合物；
（7）取上述木质素改性聚合物，加入到其重量10-13倍的二甲基甲酰胺中，在55-60℃下保温搅拌1-2小时，纺丝，真空干燥，即得所述离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维。
2.根据权利要求1所述的一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述的缚酸剂为吡啶。
3.根据权利要求1所述的一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种离子液体改性耐热聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述的纺丝为静电纺丝，纺丝的接收距离为10-15cm，施加电压为10-15kV。
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