CN114990736A - 一种显示器支架用pan基碳纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，本发明涉及PAN基碳纤维技术领域，包括以下步骤；聚丙烯腈粉末经预处理后，将其与共聚单体、RAFT试剂和溶剂混合，再将纳米碳化硼混合在混合液中；再将聚丙烯腈溶液和磷酸溶液混合，得磷酸化改性聚丙烯腈原丝；将聚丙烯腈原丝置于含氮和/或含磷的化合物的溶液中浸泡，再依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维，具备了通过对聚丙烯腈粉末预处理，提高聚丙烯腈原丝纤维的致密度,减少纤维内部和外部的缺陷，并通过磷酸对聚丙烯腈进行改性，减少在碳化过程的热降解，从而提高碳收率，减少碳纤维内部微孔缺陷，提高聚丙烯腈基碳纤维的力学性能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及PAN基碳纤维技术领域，具体为一种显示器支架用PAN基碳纤维及其制备方法。
背景技术
随着社会不断发展，电子类的产品已经成为人们日常生活中必不可少的一部分，并且电子产品不断朝着小型化和轻量化方向发展，在显示器支架方面，为了降低整体重量，提高机械强度，方便用户使用，大多采用碳纤维制造，目前用于制备碳纤维的前驱体很多，而聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好且工艺简单，受到普遍使用，但现有方法制备的聚丙烯腈基碳纤维的致密度较低，缺陷较多，弹性模量和拉伸性能一般，无法满足科技日益发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显示器支架用PAN基碳纤维及其制备方法，具备了通过对聚丙烯腈粉末预处理，提高聚丙烯腈原丝纤维的致密度,减少纤维内部和外部的缺陷，并通过磷酸对聚丙烯腈进行改性，减少在碳化过程的热降解，从而提高碳收率，减少碳纤维内部微孔缺陷，提高聚丙烯腈基碳纤维的力学性能的效果，解决了上述背景技术中所提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，包括以下步骤；
步骤S1：聚丙烯腈粉末经预处理后，将其与共聚单体、RAFT试剂和溶剂加入到反应器中混合，再将纳米碳化硼混合在混合液中，并加入引发剂，搅拌混合均匀，通入惰性气体进行除氧处理，然后进行聚合反应，聚合反应温度为65～80℃，聚合反应时间为7～20小时，脱除残留单体和气泡，得到纳米碳化硼掺杂的聚丙烯腈含量为10～18wt％的聚丙烯腈溶液；
步骤S2：将聚丙烯腈溶液和磷酸溶液混合，得磷酸化改性的聚丙烯腈溶液液，再采用湿法纺丝工艺进行纺丝得磷酸化改性聚丙烯腈原丝；
步骤S3：将聚丙烯腈原丝置于含氮和/或含磷的化合物的溶液或乳液中浸泡，浸泡后烘干，所述溶液或乳液中含氮和/或含磷的化合物的浓度为5～25wt％；所述溶液或乳液的温度为30～85℃；
步骤S4：将浸泡后的聚丙烯腈原丝依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维，其中碳化处理包括高温碳化处理和低温碳化处理，并且碳化过程在惰性气体氛围下进行；
步骤S5：再对聚丙烯腈基碳纤维依次进行表面处理、水洗、上浆、干燥、卷绕，得到聚丙烯腈基碳纤维成品。
可选的，所述步骤S1中聚丙烯腈粉末预处理方法为将聚丙烯腈粉末按65-80g：150mL的比例添加到衣康酸溶液中，并保持衣康酸溶液的温度为30-35℃，同时采用超声波进行处理，10-15min后进行过滤，再将聚丙烯腈粉末浸入在去离子水中3-6min，再将其置于温度为60-70℃的条件下干燥处理20min后，再将聚丙烯腈粉末浸泡在硅烷偶联剂水溶液中，并使其温度保持在30-33℃，30-40min后过滤，将滤出的聚丙烯腈粉末采用喷射式大气低温等离子体表面处理机进行处理即可。
可选的，所述步骤S1中RAFT试剂为S,S’-二(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯(TRIT)；以整个聚合体系重量为基准，丙烯腈投放量为15～30wt％；以总聚合单体重量为基准，共聚单体投放量为0.5～5.0wt％，引发剂投放量为0.2～1.5wt％，RAFT试剂投放量为0.05～0.5wt％，余量为溶剂。
可选的，所述步骤S4中所述高温碳化处理包括三个高温碳化区，所述低温碳化处理包括四个低温碳化区，三个所述高温碳化区温度分别为1000～1250℃、1150～1350℃和1300～1500℃，四个所述低温碳化区温度分别为340～400℃、420～500℃、520～600℃和640～720℃。
可选的，所述步骤S4中惰性气体为氮气、氦气、氖气中的任意一种。
可选的，所述步骤S3中所述含氮和/或含磷的化合物为尿素、三聚氰胺、水合肼、聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸中的一种或多种的组合。
可选的，所述步骤S2中所述磷酸与聚丙烯腈溶液中的聚丙烯腈的质量比为1～7:100。
可选的，所述步骤S3中所述含氮和/或含磷的化合物为尿素、三聚氰胺、水合肼、聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸中的一种或多种的组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明通过对聚丙烯腈粉末预处理，聚丙烯腈分子链在预处理过程中会结合活性基团，使聚丙烯腈纤维形成更加致密的网络结构，提高聚丙烯腈原丝纤维的致密度,减少纤维内部和外部的缺陷，纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高，纤维的物理机械性能优异，从而提高碳纤维的力学性能。
二、本发明通过在聚丙烯腈溶液加入纳米碳化硼，使得在后续热处理过程中硼的催化石墨化效果显著，降低了PAN基碳纤维的石墨化温度，提高了PAN基碳纤维的石墨化度，充分发挥硼原子的催化石墨化作用，从而提高了PAN基碳纤维的石墨化性能，提高其弹性模量和拉伸性能。
三、本发明通过磷酸对聚丙烯腈进行改性处理，提高了PAN基碳纤维的耐热性，减少在碳化过程的热降解，从而提高碳收率，减少碳纤维内部微孔缺陷，提高聚丙烯腈基碳纤维的力学性能。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，本实施例中提供一种显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，包括以下步骤；
步骤S1：聚丙烯腈粉末经预处理后，将其与共聚单体、RAFT试剂和溶剂加入到反应器中混合，再将纳米碳化硼混合在混合液中，并加入引发剂，搅拌混合均匀，通入惰性气体进行除氧处理，然后进行聚合反应，聚合反应温度为65℃，聚合反应时间为10小时，脱除残留单体和气泡，得到纳米碳化硼掺杂的聚丙烯腈含量为12wt％的聚丙烯腈溶液；
步骤S2：将聚丙烯腈溶液和磷酸溶液混合，得磷酸化改性的聚丙烯腈溶液液，再采用湿法纺丝工艺进行纺丝得磷酸化改性聚丙烯腈原丝；
步骤S3：将聚丙烯腈原丝置于含氮和/或含磷的化合物的溶液或乳液中浸泡，浸泡后烘干，所述溶液或乳液中含氮和/或含磷的化合物的浓度为10wt％；所述溶液或乳液的温度为55℃；
步骤S4：将浸泡后的聚丙烯腈原丝依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维，其中碳化处理包括高温碳化处理和低温碳化处理，并且碳化过程在惰性气体氛围下进行；
步骤S5：再对聚丙烯腈基碳纤维依次进行表面处理、水洗、上浆、干燥、卷绕，得到聚丙烯腈基碳纤维成品。
进一步的，在本实施例中：步骤S1中聚丙烯腈粉末预处理方法为将聚丙烯腈粉末按67g：150mL的比例添加到衣康酸溶液中，并保持衣康酸溶液的温度为30℃，同时采用超声波进行处理，10min后进行过滤，再将聚丙烯腈粉末浸入在去离子水中4min，再将其置于温度为60℃的条件下干燥处理20min后，再将聚丙烯腈粉末浸泡在硅烷偶联剂水溶液中，并使其温度保持在33℃，340min后过滤，将滤出的聚丙烯腈粉末采用喷射式大气低温等离子体表面处理机进行处理即可，通过对聚丙烯腈粉末预处理，聚丙烯腈分子链在预处理过程中会结合活性基团，使聚丙烯腈纤维形成更加致密的网络结构，提高聚丙烯腈原丝纤维的致密度,减少纤维内部和外部的缺陷，纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高，纤维的物理机械性能优异，从而提高碳纤维的力学性能。
进一步的，在本实施例中：步骤S1中RAFT试剂为S,S’-二(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯(TRIT)；以整个聚合体系重量为基准，丙烯腈投放量为15～30wt％；以总聚合单体重量为基准，共聚单体投放量为2wt％，引发剂投放量为0.7wt％，RAFT试剂投放量为0.15wt％，余量为溶剂，通过采用带有双官能团且与丙烯腈竞聚率相近的第二聚合单体进行共聚反应，使丙烯腈共聚物的链规整度较高、共聚单元分布均匀，分子组成一致性较好，纤维缺陷少。
进一步的，在本实施例中：步骤S4中所述高温碳化处理包括三个高温碳化区，所述低温碳化处理包括四个低温碳化区，三个所述高温碳化区温度分别为1100℃、1250℃和1400℃，四个所述低温碳化区温度分别为340℃、450℃、530℃和650℃。
进一步的，在本实施例中：步骤S3中所述含氮和/或含磷的化合物为尿素、三聚氰胺、水合肼、聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸中的一种或多种的组合。
进一步的，在本实施例中：步骤S2中所述磷酸与聚丙烯腈溶液中的聚丙烯腈的质量比为1～7:100。
进一步的，在本实施例中：衣康酸溶液浓度为1.8mol/L，
实施例二：
本实施例制备步骤与实施例一基本相同，不同之处在于，所述步骤S3中含氮和/或含磷的化合物的浓度为15wt％。
实施例三：
本实施例制备步骤与实施例一基本相同，不同之处在于，所述步骤S3中含氮和/或含磷的化合物的浓度为18wt％。
本发明通过对聚丙烯腈粉末预处理，聚丙烯腈分子链在预处理过程中会结合活性基团，使聚丙烯腈纤维形成更加致密的网络结构，提高聚丙烯腈原丝纤维的致密度,减少纤维内部和外部的缺陷，纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高，纤维的物理机械性能优异，从而提高碳纤维的力学性能，并通过在聚丙烯腈溶液加入纳米碳化硼，使得在后续热处理过程中充分发挥硼原子的催化石墨化作用，降低了PAN基碳纤维的石墨化温度，提高了PAN基碳纤维的石墨化度，提高其弹性模量和拉伸性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤S1：聚丙烯腈粉末经预处理后，将其与共聚单体、RAFT试剂和溶剂加入到反应器中混合，再将纳米碳化硼混合在混合液中，并加入引发剂，搅拌混合均匀，通入惰性气体进行除氧处理，然后进行聚合反应，聚合反应温度为65～80℃，聚合反应时间为7～20小时，脱除残留单体和气泡，得到纳米碳化硼掺杂的聚丙烯腈含量为10～18wt％的聚丙烯腈溶液；
步骤S2：将聚丙烯腈溶液和磷酸溶液混合，得磷酸化改性的聚丙烯腈溶液液，再采用湿法纺丝工艺进行纺丝得磷酸化改性聚丙烯腈原丝；
步骤S3：将聚丙烯腈原丝置于含氮和/或含磷的化合物的溶液或乳液中浸泡，浸泡后烘干，所述溶液或乳液中含氮和/或含磷的化合物的浓度为5～25wt％；所述溶液或乳液的温度为30～85℃；
步骤S4：将浸泡后的聚丙烯腈原丝依次进行预氧化处理、碳化处理和石墨化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维，其中碳化处理包括高温碳化处理和低温碳化处理，并且碳化过程在惰性气体氛围下进行；
步骤S5：再对聚丙烯腈基碳纤维依次进行表面处理、水洗、上浆、干燥、卷绕，得到聚丙烯腈基碳纤维成品。
2.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中聚丙烯腈粉末预处理方法为将聚丙烯腈粉末按65-80g：150mL的比例添加到衣康酸溶液中，并保持衣康酸溶液的温度为30-35℃，同时采用超声波进行处理，10-15min后进行过滤，再将聚丙烯腈粉末浸入在去离子水中3-6min，再将其置于温度为60-70℃的条件下干燥处理20min后，再将聚丙烯腈粉末浸泡在硅烷偶联剂水溶液中，并使其温度保持在30-33℃，30-40min后过滤，将滤出的聚丙烯腈粉末采用喷射式大气低温等离子体表面处理机进行处理即可。
3.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中RAFT试剂为S,S’-二(α,α′-二甲基-α″-乙酸)三硫代碳酸酯(TRIT)；以整个聚合体系重量为基准，丙烯腈投放量为15～30wt％；以总聚合单体重量为基准，共聚单体投放量为0.5～5.0wt％，引发剂投放量为0.2～1.5wt％，RAFT试剂投放量为0.05～0.5wt％，余量为溶剂。
4.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中所述高温碳化处理包括三个高温碳化区，所述低温碳化处理包括四个低温碳化区，三个所述高温碳化区温度分别为1000～1250℃、1150～1350℃和1300～1500℃，四个所述低温碳化区温度分别为340～400℃、420～500℃、520～600℃和640～720℃。
5.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中惰性气体为氮气、氦气、氖气中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中所述含氮和/或含磷的化合物为尿素、三聚氰胺、水合肼、聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述磷酸与聚丙烯腈溶液中的聚丙烯腈的质量比为1～7:100。
8.根据权利要求2所述的显示器支架用PAN基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述衣康酸溶液浓度为1.8mol/L。
9.一种显示器支架用PAN基碳纤维，其特征在于：通过权利要求1～7任一所述制备方法制备得到。
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