CN103305931A

CN103305931A - 静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置

Info

Publication number: CN103305931A
Application number: CN2013101876329A
Authority: CN
Inventors: 覃小红; 吴韶华; 李鹏翔; 张彩丹; 刘澎红
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置，该装置的两个喷丝头分别连接高压静电发生器正极和负极，金属圆形靶与一端连接有电机的绝缘杆相连，空心金属杆固定且带有尖端，除尖端外，其余部分喷有绝缘漆；制备方法包括：（1）制备聚丙烯腈纺丝溶液；（2）采用上述的静电纺丝装置进行静电纺丝，从两个喷丝头中喷出的射流形成取向的纳米纤维束，然后经加捻、卷绕成形，获得聚丙烯腈纳米纤维纱线；（3）将步聚丙烯腈纳米纤维纱线进行预氧化热定型，得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线。本发明的方法操作简单，采用本发明的装置进行静电纺丝得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线条干均匀，有望在碳纤维制造领域得到广泛的应用。

Description

静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置

技术领域

本发明属于静电纺丝及其装置领域，特别涉及一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置。

背景技术

从第一批碳纤维的诞生到现在只有近百年的历史，但是由于碳纤维具有突出的高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热以及热膨胀系数小等一系列优异性能，无论从军工还是到民用产业都受到了广泛的重视。目前所用的碳纤维直径主要处于微米级别，因而使碳纤维的很多性能无法得到充分展现，例如碳纤维强度的理论值为180GPa，然而现在最强的碳纤维只能达到7GPa左右。

预氧化纤维是制造碳纤维的中间产品，也可以作为阻燃纤维应用于纺织领域加工成纺织服装产品，如高温工作服、消防用品等，但是到目前为止，商业用的预氧化纤维由于延伸性能以及抱合力差等原因，严重限制了预氧化纤维的应用领域以及发展推广，也限制了民用腈纶在预氧化纤维制备方面的应用。经分析表明，降低预氧化纤维的尺寸是提高预氧化纤维性能最为有效的手段。一方面，根据弱环定理我们知道降低纤维的直径可有效的减少纤维的疵点，进而提高其力学性能；另一方面，根据材料的结构决定性能的原理我们知道当材料的尺寸达到纳米级别时，其特殊的结构会使其具有一系列的特异效应，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等，因而纳米级的预氧化纤维与普通预氧化纤维相比，除保留原有性能外，具备更多的优异性能。

近年来，由于静电纺丝操作方便，原料来源广泛，可在室温下纺丝，且静电纺丝是加工纳米纤维最为简单有效的手段，因此静电纺纳米纤维受到了越来越多的研究者的关注。静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下在Taylor锥顶被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。因此，传统的静电纺丝工艺收集到的纳米纤维主要是以杂乱无章的无纺布的形式存在的，但对静电纺丝工艺进行改进，可获得取向纳米纤维纱线，为预氧化纤维以及碳纤维的制备提供一种优异的预前体。

检索国内外有关聚丙烯腈基预氧纤维方面的文献和专利结果表明：目前还没有关于用静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法及装置，该方法操作简单，采用该装置进行静电纺丝得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线条干均匀，有望在碳纤维制造领域得到广泛的应用。

本发明的一种静电纺丝装置，包括：第一喷丝头、第二喷丝头、金属圆形靶、绝缘杆、第一电机、第二电机，空心金属杆、纱筒、高压静电发生器正极、高压静电发生器负极，所述的第一喷丝头和第二喷丝头分别连接高压静电发生器正极以及高压静电发生器负极；所述的纱筒与第二电机相连；所述的金属圆形靶与一端连接有第一电机的绝缘杆相连；所述的空心金属杆固定且带有尖端，除尖端外，其余部分喷有绝缘漆。

所述的第一喷丝头与第二喷丝头之间的距离为3～30cm。

所述的金属圆形靶与空心金属杆之间的距离为3～30cm。

本发明的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，包括：

（1）制备纺丝液：将聚丙烯腈（PAN）溶解在有机溶剂中，搅拌至完全溶解，静置脱泡，得到纺丝溶液；

（2）采用上述的静电纺丝装置进行静电纺丝，将步骤（1）得到的纺丝溶液输送到各喷丝头中，开始静电纺丝，从两个喷丝头中喷出的射流形成取向的纳米纤维束，然后经加捻、卷绕成形，获得聚丙烯腈纳米纤维纱线；

（3）将步骤（2）得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线在150-300℃的含氧气体中进行预氧化热定型，得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线。

步骤（1）中所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺（DMF）。

步骤（1）中所述的纺丝溶液的质量浓度为5～30%。

步骤（2）中所述的静电纺丝中，正电压为3～50kV，负电压为-3～-50kV，金属圆形靶的转速为1～10000rpm，纱筒的转速为1～1000rpm。

步骤（3）中所述的含氧气体为氧气或空气。

有益效果：

（1）本发明的制备方法简单，易于操作；

（2）本发明通过改进静电纺丝装置，对静电纺丝方法进行了改造，经取向、集束、加捻、卷绕成型，制备得到了聚丙烯腈纳米纤维纱线，纱线条干均匀，并且纺纱过程中可以达到半小时以上无断头；

（3）本发明制备的聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线条干均匀，广泛用于纺织服装领域，又可直接用于制造碳纤维，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明采用的静电纺丝装置结构示意图；

图2为本发明实施例2中所得的聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片，放大倍数为300倍；

图3为本发明实施例2中所得的聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片，放大倍数为3000倍；

图4为本发明实施例3中所得的聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片，放大倍数为300倍；

图5为本发明实施例3中所得的聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片，放大倍数为3000倍；

其中1-第一喷丝头，2-第二喷丝头，3-金属圆形靶，4-绝缘杆，5-第一电机，6-空心金属杆，7-纱筒，8-第二电机，9-高压静电发生器正极，10-高压静电发生器负极，11-带正电的射流，12-带负电的射流，13-取向纳米纤维，14-纱线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种静电纺丝装置，包括：第一喷丝头1、第二喷丝头2、金属圆形靶3、绝缘杆4、第一电机5、第二电机8，空心金属杆6、纱筒7、高压静电发生器正极9、高压静电发生器负极10，所述的第一喷丝头1和第二喷丝头2分别连接高压静电发生器正极9以及高压静电发生器负极10；所述的纱筒7与第二电机8相连；所述的金属圆形靶3与一端连接有第一电机5的绝缘杆4相连；所述的空心金属杆6固定且带有尖端，除尖端外，其余部分喷有绝缘漆。

所述的第一喷丝头1与第二喷丝头2之间的距离为3～30cm。

所述的金属圆形靶3与空心金属杆6之间的距离为3～30cm。

具体的纺丝过程如下：①通过自动输液装置向第一喷丝头1和第二喷丝头2中添加聚丙烯腈溶液，将第一喷丝头1和第二喷丝头2上的接线柱分别连接高压静电发生器正极9以及高压静电发生器负极10，引入高压静电；②由第一喷丝头1和第二喷丝头2分别形成的带正电的射流11以及带负电的射流12搭接在金属圆形靶3与空心金属杆6前部尖端之间，得到取向纳米纤维13；③打开与绝缘杆4相连的第一电机5，驱动金属圆形靶3旋转，带有尖端的空心金属杆6固定，实现对取向纳米纤维束的加捻成纱；④将纱线14由带有尖端的空心金属杆6的内部空心部分引出，卷绕在纱筒7上，打开控制纱筒7旋转的第二电机8，实现连续且取向的聚丙烯腈纳米纤维纱线生产。

实施例2

（1）制备纺丝液，用电子分析天平称取12.000g聚丙烯腈溶于88.000g二甲基甲酰胺中，在80℃水浴中搅拌至完全溶解，静置脱泡，得到浓度为12%的聚丙烯腈溶液；

（2）采用实施例1所述的静电纺丝装置进行静电纺丝，通过外接的自动输液装置将步骤（1）得到的纺丝液输送到各喷丝头中，将喷丝头分别连接高压静电发生装置的正极和负极，开始静电纺丝，从喷丝头中喷出的射流形成取向的纳米纤维束，然后经加捻、卷绕成形，获得聚丙烯腈纳米纤维纱线；

（3）将步骤（2）得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线，在220℃的空气中进行1小时的预氧化热定型得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线。

上述方案中，所述步骤（2）中在静电纺丝时，正电压为9kV，负电压为-9kV，两个喷丝头之间的距离为15cm，金属圆形靶与带有尖端的空心金属杆之间的距离为10cm，金属圆形靶的转速为100rpm，纱筒的转速为50rpm。

得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片如图2、图3所示。

实施例3

（1）制备纺丝液：用电子分析天平称取14.000g聚丙烯腈溶于86.000g二甲基甲酰胺中，在80℃水浴中搅拌至完全溶解，静置脱泡，得到浓度为14%的聚丙烯腈溶液；

（3）将步骤（2）得到的聚丙烯腈纳米纤维纱线，在250℃的空气中进行1小时的预氧化热定型得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线。

上述方案中，所述步骤（2）中在静电纺丝时，正电压为12kV，负电压为-12kV，两个喷丝头之间的距离为18cm，金属圆形靶与带有尖端的空心金属杆之间的距离为10cm，金属圆形靶的转速为100rpm，纱筒的转速为50rpm。

得到聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的扫描电子显微镜照片如图4、图5所示。

Claims

1.一种静电纺丝装置，其特征在于，该装置包括：第一喷丝头（1）、第二喷丝头（2）、金属圆形靶（3）、绝缘杆（4）、第一电机（5）、第二电机（8），空心金属杆（6）、纱筒（7）、高压静电发生器正极（9）、高压静电发生器负极（10），所述的第一喷丝头（1）和第二喷丝头（2）分别连接高压静电发生器正极（9）以及高压静电发生器负极（10）；所述的纱筒（7）与第二电机（8）相连；所述的金属圆形靶（3）与一端连接有第一电机（5）的绝缘杆（4）相连；所述的空心金属杆（6）固定且带有尖端，除尖端外，其余部分喷有绝缘漆。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于：所述的第一喷丝头（1）与第二喷丝头（2）之间的距离为3～30cm。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于：所述的金属圆形靶（3）与空心金属杆（6）之间的距离为3～30cm。

4.一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，包括：

（1）将聚丙烯腈溶解在有机溶剂中，搅拌至完全溶解，静置脱泡，得到纺丝溶液；

（2）采用如权利要求1、2或3所述的装置进行静电纺丝，将步骤（1）得到的纺丝溶液输送到各喷丝头中，开始静电纺丝，从两个喷丝头中喷出的射流形成取向的纳米纤维束，然后经加捻、卷绕成形，获得聚丙烯腈纳米纤维纱线；

5.根据权利要求4所述的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺。

6.根据权利要求4所述的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的纺丝溶液的质量浓度为5～30%。

7.根据权利要求4所述的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的静电纺丝中，正电压为3～50kV，负电压为-3～-50kV，金属圆形靶的转速为1～10000rpm，纱筒的转速为1～1000rpm。

8.根据权利要求4所述的一种静电纺丝制备聚丙烯腈预氧化纳米纤维纱线的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的含氧气体为氧气或空气。