CN110184684A - 高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚丙烯腈纤维的制备领域，提供高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：(1)将聚丙烯腈和溶剂进行搅拌溶解得到聚丙烯腈纺丝溶液，并进行高压电场静电纺丝，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；(2)将聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布进行切分成长条、热牵伸，制备得到聚丙烯腈基纳米取向纤维束；(3)将聚丙烯腈基纳米取向纤维束进行空气氧化、惰性气体碳化，最后裁切成聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维；所述静电纺丝工艺中的喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30‑60cm。
Description
技术领域
本发明涉及聚丙烯腈纤维的制备领域，具体的更涉及一种高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维及其制备方法和应用。
背景技术
碳纤维是具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等优异性能的化工新材料，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，具有碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性，密度不到钢的1/4，抗拉强度却是钢的7-9倍，抗拉弹性也高于钢。碳纤维复合材料广泛应用在航空航天业的火箭、导弹和高速飞行器，化工机械，交通工具，体育器械，纺织和医学领域。现在炭纤维的主要产品有聚丙烯腈基，沥青基及黏胶基3大类，每一类产品又因原纤维种类、工艺及最终炭纤维性能等不同，又分成许多品种。“炭纤维”一词实际上是多种炭纤维的总称，因此分类及命名就十分重要。
碳纳米纤维通常是指化学气相淀积法制备的碳纳米短纤维，或碳纳米管，这样的碳纳米纤维具有高强度和高模量及优良的导电性和导热性能，是制备复合材料优异的纤维状纳米填料，能大幅度地改善聚合物树脂的机械性能和耐热性能等。但是，由化学气相淀积法制备的碳纳米纤维或碳纳米管，一般都不是笔直的，绝大多数是弯曲的，有的甚至是螺旋状的，长径比稍大的碳纳米纤维或碳纳米管之间都有严重缠绕现象，难于分散。分散好的碳纳米管或碳纳米纤维，其长度都不高，一般在10微米以下，对聚合物树脂的增强增韧作用有限。因此，有必要开发一种高长径比的、高分散性的碳纳米纤维，实现显著改善聚合物树脂的机械性能的目的，制备超高性能的碳纳米纤维/树脂复合材料。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的第一个方面提供的是一种高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：
(1)将聚丙烯腈和溶剂进行搅拌溶解得到聚丙烯腈纺丝溶液，并进行高压电场静电纺丝，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；
(2)将聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布进行切分成长条、热牵伸，制备得到聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
(3)将聚丙烯腈基纳米取向纤维束进行空气氧化、惰性气体碳化，最后裁切成聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维；
所述静电纺丝工艺中的喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30-60cm。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为2-6Pa·s。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为30-50℃，搅拌时间为5-15小时。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为35-55cm。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述高压电场的电场强度为300-500kV/m。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.1-2.0mm。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述长条的宽度为1-6cm。
作为优选的一种技术方案，本发明中所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸。
本发明的第二个方面提供的是一种所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
本发明的第三个方面提供的是一种所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的应用，应用于增强材料。
参考以下详情，更容易理解本发明中前面部分所描述的技术特征、内容和优点。
具体实施方式
除非另有说明、从上下文暗示或属于现有技术的惯例，否则本申请中所有的份数和百分比都基于重量，且所用的测试和表征方法都是与本申请的提交日期同步的。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。
下面结合具体实施方式对本发明提供技术方案中的技术特征作进一步清楚、完整的描述，并非对其保护范围的限制。
本发明中的词语“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。本发明中未提及的组分的来源均为市售。
本发明的第一个方面提供的是一种高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：
(1)将聚丙烯腈和溶剂进行搅拌溶解得到聚丙烯腈纺丝溶液，并进行高压电场静电纺丝，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；
(2)将聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布进行切分成长条、热牵伸，制备得到聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
(3)将聚丙烯腈基纳米取向纤维束进行空气氧化、惰性气体碳化，最后裁切成聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维；
所述静电纺丝工艺中的喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30-60cm。
在一些实施方式中，本发明中所述的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30-60cm；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布分切成长条，并将此长条在85-95℃水浴中加热牵伸，放卷速度为3-8米/分钟，牵伸比为2-5.5倍；然后在130-150℃空气中放卷速度为3-8米/分钟，牵伸比为3-10倍；牵伸形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束，其中纤维取向度大于90％；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在210-270℃热空气中氧化1-5小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
在一些优选的实施方式中，所述的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为35-55cm；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布分切成长条，并将此长条在88-92℃水浴中加热牵伸，放卷速度为4-7米/分钟，牵伸比为3-5倍；然后在135-145℃空气中牵伸，放卷速度为4-7米/分钟，牵伸比为3-4倍；形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束，其中纤维取向度大于90％；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在220-260℃热空气中氧化2-4小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
在一些更优选的实施方式中，所述的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤至少包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束，其中纤维取向度大于90％；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
在一些实施方式中，本发明中所述的电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布，其中的纤维直径为300-1200nm；优选的，所述的电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布，其中的纤维直径为500-1000nm；更优选的，所述的电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布，其中的纤维直径为600-800nm；进一步优选的，所述的电纺聚丙烯腈纳米纤维毡和/或非织造布，其中的纤维直径为754nm。
本发明中所述聚丙烯腈不做特殊限定，一般市购聚丙烯腈均可用于本发明，本发明中所述PAN为聚丙烯腈的简称；本发明中所述聚丙烯腈购买自郑州阿尔法化工有限公司，型号25014-41-9。
在一些实施方式中，本发明所述步骤S1中溶剂为极性有机溶剂。
在一些实施方式中，所述极性有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或多种的组合；优选的，所述极性有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或多种的组合；更优选的，所述极性有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或多种的组合；最为优选的，所述极性有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺。
在一些实施方式中，本发明中所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度为2-6Pa·s；优选的，所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度为3-5Pa·s；更优选的，所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度为4.3Pa·s。
本发明中所述绝对粘度数值采用数字显示粘度计SNB-1测量。
在一些实施方式中，所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为30-50℃，搅拌时间为5-15小时；优选的，所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为35-45℃，搅拌时间为8-12小时；更优选的，所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时。
在一些实施方式中，所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为35-55cm；优选的，所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm。
在一些实施方式中，所述高压电场的电场强度为300-500kV/m；优选的，所述高压电场的电场强度为350-450kV/m；更优选的，所述高压电场的电场强度为400kV/m。
通过本发明提供的制备方法制备得到的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维，具有高强度、高分散性，可以用作复合材料的增强填料使用，具有优异的性能效果，可能原因是本发明中制备的聚丙烯腈纺丝溶液可达到适宜的粘度在经过喷丝口喷出的纤维会更加均匀，此外通过对高压电场强度、用不锈钢网带为收集器的特殊限定，收集得到电纺聚丙烯腈纳米纤维毡或非织造布的纤维不仅分散均匀，此外分子在不锈钢网带中的排布会呈现出特定序列，在热牵伸阶段会更有利分子顺利取向，避免产生微小缺陷，可以获得具有高度取向的连续聚丙烯腈长纤维；此外申请人发现，选择纺丝溶液的绝对粘度在2-6Pa·s，设定喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30-60cm，电场强度为300-500kV/m的条件下，最后制备得到的高取向聚丙烯腈纳米碳纤维的不仅强度最高，分散性最好，而且纤维呈线状，几乎没有弯折，并且纤维之间没有缠结，达到最佳状态。可能是由于此时在不锈钢网带中聚丙烯腈分子排布在纤维碳化后形成的分子之间更加的密实的结果，进一步提高了纤维的强度、分散性。
在一些实施方式中，所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.1-2.0mm；优选的，所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.5-1.5mm；更优选的，所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm。
在一些实施方式中，所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维使用机械裁切刀或激光分切机裁切。
在一些实施方式中，所述长条的宽度为1-6cm；优选的，所述长条的宽度为2-5cm；更优选的，所述长条的宽度为3.5cm。
在一些实施方式中，所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸。
在一些实施方式中，所述惰性气体氛围中碳化的温度为1200-1800℃，碳化的时间为10-60分钟；优选的，所述惰性气体氛围中碳化的温度为1400-1700℃，碳化的时间为20-40分钟；更优选的，所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟。
在一些实施方式中，所述惰性气体选自氩气、氦气、氮气、氖气中的至少一种；优选的，所述惰性气体选自氩气、氦气、氮气中的至少一种；更优选的，所述惰性气体选自氩气。
本发明的第二个方面提供的是一种所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
本发明的第三个方面提供的是一种所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的应用，应用于增强材料。
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，一下实施例只能用于本发明做进一步说明，并不能理解为本发明保护的限制，该领域的专业技术人员根据上述发明的内容作出的非本质的改正和调整，仍属于本发明的保护的范围。
实施例1
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为4.3Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm；所述高压电场的电场强度为400kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为3.5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例2
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在85℃水浴中加热牵伸，放卷速度为3米/分钟，牵伸比为2倍；然后在130℃空气中牵伸，放卷速度为3米/分钟，牵伸比为3倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在210℃热空气中氧化1小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为2.2Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为30℃，搅拌时间为15小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30cm；所述高压电场的电场强度为500kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.1mm；所述长条的宽度为1cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1200℃，碳化的时间为60分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例3
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在95℃水浴中加热牵伸，放卷速度为8米/分钟，牵伸比为5.5倍；然后在150℃空气中牵伸，放卷速度为8米/分钟，牵伸比为10倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在270℃热空气中氧化5小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为6.1Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为50℃，搅拌时间为5小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为60cm；所述高压电场的电场强度为500kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为2mm；所述长条的宽度为6cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1800℃，碳化的时间为10分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例4
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈非织造布；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米非织造布分切成长条，并将此长条在88℃水浴中加热牵伸，放卷速度为4米/分钟，牵伸比为3倍；然后在135℃空气中牵伸，放卷速度为4米/分钟，牵伸比为3倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在220℃热空气中氧化4小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为3.4Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为35℃，搅拌时间为8小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为35cm；所述高压电场的电场强度为350kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.5mm；所述长条的宽度为2cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1400℃，碳化的时间为40分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例5
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈非织造布；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米非织造布分切成长条，并将此长条在92℃水浴中加热牵伸，放卷速度为7米/分钟，牵伸比为5倍；然后在145℃空气中牵伸，放卷速度为7米/分钟，牵伸比为4倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在260℃热空气中氧化2小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为5.2Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为45℃，搅拌时间为12小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为55cm；所述高压电场的电场强度为350kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.5mm；所述长条的宽度为5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1700℃，碳化的时间为20分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例6
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为4.3Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为20cm；所述高压电场的电场强度为400kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为3.5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例7
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为4.3Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为80cm；所述高压电场的电场强度为400kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为3.5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例8
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为4.3Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm；所述高压电场的电场强度为450kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为6cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例9
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为7.3Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm；所述高压电场的电场强度为650kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为3.5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
实施例10
高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，步骤包括：
S1：溶解：将聚丙烯腈与溶剂一起加入到聚合反应釜中，在室温下搅拌溶解，得到聚丙烯腈纺丝溶液；
S2：静电纺丝：将聚丙烯腈纺丝溶液进行高压电场静电纺丝，用不锈钢网带为收集器，得到电纺聚丙烯腈纤维毡；
S3：将上述所得电纺聚丙烯腈纳米纤维毡分切成长条，并将此长条在90℃水浴中加热牵伸，放卷速度为5米/分钟，牵伸比为4倍；然后在140℃空气中牵伸，放卷速度为6米/分钟，牵伸比为3.5倍，形成聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
S4：将聚丙烯腈基纳米取向纤维束在240℃热空气中氧化3小时，然后在惰性气体氛围中碳化，形成高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束；
S5：将上述高度取向的电纺PAN基碳纳米纤维束裁切成电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维；
所述步骤S1中溶剂为N,N-二甲基乙酰胺；所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度在绝对粘度为1.2Pa·s；所述步骤S1中聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为40℃，搅拌时间为10小时；所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为45cm；所述高压电场的电场强度为200kV/m；所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为1.1mm；所述长条的宽度为3.5cm；所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸；所述惰性气体氛围中碳化的温度为1600℃，碳化的时间为30分钟；所述惰性气体选自氩气。
性能测试
对实施例1-实施例10制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维进行其强度测试，断裂强度、杨氏模量和断裂伸长率的测试采用GB/T14337-1993；测试结果如表1所示。
表1性能测试结果
| 实施例 | 拉伸强度(cN/dtex) | 杨氏模量(cN/dtex) | 断裂伸长率(％) |
| 实施例1 | 14 | 130 | 15 |
| 实施例2 | 5 | 34 | 5 |
| 实施例3 | 8 | 54 | 7 |
| 实施例4 | 10 | 98 | 12 |
| 实施例5 | 12 | 126 | 13 |
| 实施例6 | 3 | 26 | 4 |
| 实施例7 | 6 | 41 | 5 |
| 实施例8 | 6 | 31 | 4 |
| 实施例9 | 8 | 49 | 5 |
| 实施例10 | 5 | 32 | 4 |
前述的实例仅是说明性的，用于解释本公开的特征的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。而且在科技上的进步将形成由于语言表达的不准确的原因而未被目前考虑的可能的等同物或子替换，且这些变化也应在可能的情况下被解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (10)
1.高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的制备方法，其特征在于，步骤至少包括：
(1)将聚丙烯腈和溶剂进行搅拌溶解得到聚丙烯腈纺丝溶液，并进行高压电场静电纺丝，得到电纺聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布；
(2)将聚丙烯腈纤维毡和/或非织造布进行切分成长条、热牵伸，制备得到聚丙烯腈基纳米取向纤维束；
(3)将聚丙烯腈基纳米取向纤维束进行空气氧化、惰性气体碳化，最后裁切成聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维；
所述静电纺丝工艺中的喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为30-60cm。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纺丝溶液的绝对粘度为2-6Pa·s。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纺丝溶液的溶解温度为30-50℃，搅拌时间为5-15小时。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的工艺中喷丝口到不锈钢网带收集器的间距为35-55cm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高压电场的电场强度为300-500kV/m。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈基碳纳米超短纳米纤维的长度为0.1-2.0mm。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述长条的宽度为1-6cm。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述牵伸为两段牵伸，分别为水热牵伸和热空气牵伸。
9.一种如权利要求1-8任一项所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维。
10.一种如权利要求1-8任一项所述制备方法制备的高分散性电纺聚丙烯腈基碳纳米超短纤维的应用，其特征在于，应用于增强材料。
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| CN102168324A (zh) * | 2011-03-08 | 2011-08-31 | 西安工程大学 | 静电纺纳米丝束的碳化装置及纳米碳纤维的制备方法 |
| CN105839202A (zh) * | 2016-04-23 | 2016-08-10 | 北京化工大学 | 一种静电纺聚丙烯腈纤维直径与结构的控制方法 |
| JP2018076612A (ja) * | 2016-11-08 | 2018-05-17 | 東レ株式会社 | 炭素繊維前駆体繊維束および炭素繊維束の製造方法 |
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