CN114045569A - 一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法 - Google Patents

一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括采用有机溶剂对聚丙烯腈粉末喷淋溶胀，再采用有机溶剂对溶胀后的聚丙烯腈粉末溶解。本发明采用二步法制备聚丙烯腈纺丝原液，先用热的有机溶剂将聚丙烯粉末喷淋溶胀，再将溶胀后的聚丙烯腈进行充分溶解。相较于一步法直接溶解聚丙烯腈，本发明先把聚丙烯腈粉末溶胀再溶解能够提高聚丙烯的溶解度，增加纺丝原液的粘度，从而提高原丝的性能。

Description

一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的 方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料的回收，尤其涉及一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法。
背景技术
碳纤维(carbonfiber，CF)是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的纤维材料，在国防军工和民用方面都具有广泛的应用。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。根据碳纤维的原材料来源，可将碳纤维细分为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中，粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维的综合性能相比于聚丙烯腈基碳纤维较低，高性能碳纤维多数由聚丙烯腈制得。
高性能碳纤维可以采用聚丙烯腈原丝经预氧化和碳化制得，聚丙烯腈原丝由聚丙烯腈粉料由溶剂溶解后形成纺丝原液，纺丝原液经干法纺丝或湿法纺丝制得聚丙烯腈原丝。通常采用有机溶剂制备纺丝原液，如DMAc、DMSO和DMF，这三种溶剂均是聚丙烯腈纺丝原液常用有机溶剂。单独使用该三种溶剂之一就可以制备出可纺性良好的聚丙烯腈纺丝原液，但是采用单一溶剂一次制备出的聚丙烯腈纺丝原液的性能存在上限，如粘度、固含量等均会制约其可纺性的提升。
发明内容
现有技术中，采用单一溶剂一次制备出的聚丙烯腈纺丝原液无法进一步提高可纺性，针对该问题，本发明提供一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括采用有机溶剂对聚丙烯腈粉末喷淋溶胀，再采用有机溶剂对溶胀后的聚丙烯腈粉末溶解。具体操作为：将烘干粉碎的聚丙烯腈在料仓振动器筛分后，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用加热的有机溶剂对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成纺丝原液，即得。
本发明采用的聚丙烯腈的数均分子量为5万-60万，分子量分布为2.2-3.5。质量越高的聚丙烯制备出的纺丝原液的性能越高，但是采用本发明的方法可以是有质量较低的腈纶用聚丙烯腈制备高质量的纺丝原液，本发明腈纶用聚丙烯腈的数均分子量为10万-30万，分子量分布为2.5-3.5。
本发明所用有机溶剂的温度为40-80℃，选自DMAc、DMSO和DMF中的一种，也可以是其中任意两种以任意比例混合的混合物。
本发明采用二步法制备聚丙烯腈纺丝原液，先用热的有机溶剂将聚丙烯粉末喷淋溶胀，再将溶胀后的聚丙烯腈进行充分溶解。相较于一步法直接溶解聚丙烯腈，本发明先把聚丙烯腈粉末溶胀再溶解能够提高聚丙烯的溶解度，增加纺丝原液的粘度，从而提高原丝的性能。
附图说明
图1为实施例2所得原丝截面的SEM图；
图2为实施例4所得原丝截面的SEM图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括以下操作：将数均分子量为5万，分子量分布为2.2的聚丙烯腈烘干粉碎，在料仓振动器筛分，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用40℃体积比1:1的DMAc和DMF混合溶液对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成固含量为25％的纺丝原液，即得。
实施例2
一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括以下操作：将数均分子量为30万，分子量分布为2.6的聚丙烯腈烘干粉碎，在料仓振动器筛分，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用60℃体积比1.25:1的DMAc和DMSO混合溶液对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成固含量为21％的纺丝原液，即得。
实施例3
一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括以下操作：将数均分子量为60万，分子量分布为3.1的聚丙烯腈烘干粉碎，在料仓振动器筛分，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用80℃体积比10:1的DMSO和DMF混合溶液对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成固含量为18％的纺丝原液，即得。
实施例4
一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，包括以下操作：将数均分子量为20万，分子量分布为3.3的腈纶用聚丙烯腈烘干粉碎，在料仓振动器筛分，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用60℃体积比1.25:1的DMAc和DMSO混合溶液对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成固含量为23％的纺丝原液，即得。
对比例1
采用DMAc制备的聚丙烯腈纺丝原液，其中聚丙烯腈的数均分子量为30万，分子量分布为2.6，将聚丙烯腈粉末称量后分批次加入到60℃的DMAc中，保温搅拌6h，即得。
将实施例1-4和对比例1所得纺丝原液进行干喷湿纺制备成聚丙烯腈原丝，并检测其指标，如表1所示。从表中数据可以看出，相比于对比例1，本发明实施例1-4所得纺丝原液制备的原丝维性能均达到制备碳纤维的要求。
表1为实施例1-4和对比例1所得纺丝原液制备出的原丝性能对比
线密度(g/m) 纤度(dtex) 强度(cN/dtex) 断裂伸长率(％)
实施例1 0.3562 1.1873 6.47 8.56
实施例2 0.3413 1.1377 8.22 11.41
实施例3 0.3667 1.2241 9.38 12.68
实施例4 0.3584 1.1955 8.75 10.37
对比例1 0.3543 1.1854 7.86 10.64
图1和图2分别为实施例2和4所得纺丝原液经干喷湿纺制备出的聚丙烯腈原丝，从形貌上看所得原丝较为均匀规整，符合制备碳纤维的原丝形貌要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合溶剂体系二步法制备高品质聚丙烯腈纺丝原液的方法，其特征在于，包括采用有机溶剂对聚丙烯腈粉末喷淋溶胀，再采用有机溶剂对溶胀后的聚丙烯腈粉末溶解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈的数均分子量为5万-60万，分子量分布为2.2-3.5。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈为腈纶用聚丙烯腈，数均分子量为10万-30万，分子量分布为2.5-3.5。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为DMAc、DMSO和DMF中的任意两种以任意比例混合的混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混合溶剂的温度为40-80℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法为：将烘干粉碎的聚丙烯腈在料仓振动器筛分后，用螺旋给料器将筛分后的聚丙烯腈粉末在质量流量计的控制下自由落下，用加热的有机溶剂对下落的聚丙烯腈粉末进行喷淋，喷淋后的聚丙烯腈粉末进入马可混合机中，与有机溶剂混合，制备成纺丝原液，即得。
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