CN110306256B - 一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法 - Google Patents

一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法，属于对位芳纶纤维复合材料制备技术领域。该制备方法具体为：先将富勒烯研磨、干燥，再分别精确计量富勒烯与对位芳纶树脂并混合，然后将步骤的富勒烯/对位芳纶树脂、H2SO4分别计量并混合，制备纺丝浆液；最后把纺丝浆液脱泡、过滤，然后采用干喷湿纺法纺丝，经凝固浴、水洗、碱洗、烘干、卷绕后得到富勒烯改性对位芳纶纤维。该制备方法制备的对位芳纶纤维的耐高温性能得到了明显提高，使对位芳纶纤维的应用更广泛。

Description

一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法
技术领域
本发明属于对位芳纶纤维复合材料制备技术领域，特别是涉及一种富勒烯改性对位芳纶纤维的方法，目的是提高对位芳纶纤维的耐高温性能。
背景技术
对位芳纶纤维，又称芳纶1414，是一种大分子链由芳香环和酰胺键构成的有机纤维，具有高强度、高模量、低密度的性能，其比强度是钢的5~6倍，模量是钢丝或玻璃纤维的2~3倍，韧性是钢丝的2倍，而密度却仅为钢丝的五分之一，同时耐高温耐酸碱和绝大多数有机溶剂的腐蚀，因此，芳纶纤维被广泛应用于航天工业、国防、汽车工业、防弹衣、通信电缆及运动汽车等方面。另外，对位芳纶具有耐高温和阻燃等特性，主要用于消防服、航空航天材料、轮胎骨架材料等方面。
虽然对位芳纶耐高温性能较好，在440℃以内均有优异的热稳定性，优于绝大多数化纤物，但是超过460℃，对位芳纶就急剧降解。因此，如何提高芳纶纤维的耐高温性能，从而延长芳纶纤维高温环境中的使用寿命成为材料研究和使用者十分关心的问题。
但是由于对位芳纶纤维结构规整、化学惰性很强，通过化学方法来提高对位芳纶耐高温性能较为困难，只能通过其他方法。富勒烯的热稳定性能优异，在温度600℃下，几乎没有质量损失。碳的同族物碳纳米管、石墨烯与对位芳纶的复合材料均有刊物和专利介绍，而碳的同族物富勒烯掺杂的对位芳纶却鲜有报道，尚属首次。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法，具体采用富勒烯、对位芳纶树脂、硫酸为原料制备富勒烯改性的对位芳纶纤维，该制备方法得到的改性对位芳纶纤维的耐高温性能得到明显提高，使对位芳纶纤维的应用更广泛。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
上述目的将通过独立权利要求中的特征来达成。进一步的实现方式在从属权利要求、说明书和附图中体现。
一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将富勒烯研磨、干燥后备用；
（2）将步骤（1）的富勒烯、对位芳纶树脂、H2SO4分别计量后混合，制备纺丝浆液；
（3）将步骤（2）的纺丝浆液脱泡、过滤，然后采用干喷湿纺法纺丝，再经凝固浴、水洗、碱洗、烘干、上油、卷绕后得到耐高温对位芳纶纤维。
进一步，所述富勒烯为C60或C70或C60、C70的组合，C60、C70组合使用时可以以任意比例组合。更进一步，所述富勒烯为C60。
进一步，所述富勒烯研磨后的粒度≤0.5μm。
进一步，所述富勒烯干燥后的含水率≤1%。
进一步，所述对位芳纶树脂的比浓对数粘度为5.2~6.5dL/g。
进一步，所述H2SO4的质量浓度≥99.7%。
进一步，所述步骤（2）中对位芳纶树脂、H2SO4占对位芳纶树脂和H2SO4混合物的质量比分别为19.0%~19.7%、80.3%~81%，所述富勒烯用量为对位芳纶树脂和H2SO4总质量的0~5%。
进一步，所述步骤（2）中，制备纺丝浆液时先将富勒烯和对位芳纶树脂混合均匀，然后再与H2SO4混合。在此技术方案的基础上，所述富勒烯/对位芳纶树脂、H2SO4的计量方式为失重法计量，计量后将富勒烯/对位芳纶树脂、H2SO4混合。
进一步，所述步骤（2）中，制备纺丝浆液时使用螺杆制浆机，可以为单螺杆制浆机、双螺杆制浆机中的一种。在此技术方案的基础上，所述富勒烯/对位芳纶树脂、H2SO4在-5℃~15℃进入螺杆制浆机。再在前者技术方案的基础上，螺杆制浆机的啮合区温度为-5~15℃，制浆区温度为75~95℃。
进一步，所述步骤（3）具体为：将步骤（2）的纺丝浆液脱泡、过滤，然后通过孔径为60~85μm、孔数为200~666、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过5~12mm的空气层后进入温度为2~4℃、酸含量为0~8%的水凝固浴中，受到4~7倍的牵伸，纺速为200~270m/min的情况下，经过去离子水水洗，pH为9~10的碱水碱洗、110~150℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到耐高温对位芳纶纤维。
上述制备方法制备的耐高温对位芳纶纤维的线密度为200D~1500D，强度≥18.0cN/dtex，耐高温性能提高7%~15%。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明无需对现有对位芳纶纤维工艺设备进行改动，最大程度利用现有设备和技术，可以进行工业化生产。
2、对位芳纶纤维织造过程中，连续性、稳定性优异，适合规模化生产
3、采用该制备方法制备的纤维表面无缺陷，保证丝强度≥18.0cN/dtex的前提下，耐高温性能提高7%~15%。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的耐高温对位芳纶纤维的制备流程示意图；
图2为本发明实施例提供的掺杂了富勒烯的对位芳纶纤维与对位芳纶纤维的热失重谱图；图中，a为无掺杂的对位芳纶纤维；b为实施例1制备的耐高温对位芳纶纤维；c为实施例2制备的耐高温对位芳纶纤维；d为实施例3制备的耐高温对位芳纶纤维；e为实施例4制备的耐高温对位芳纶纤维；
图3为本发明实施例提供的掺杂了富勒烯的对位芳纶纤维与对位芳纶纤维的强度对比图，图中，A为无掺杂的对位芳纶纤维；B为实施例1制备的耐高温对位芳纶纤维；C为实施例2制备的耐高温对位芳纶纤维；D为实施例3制备的耐高温对位芳纶纤维；E为实施例4制备的耐高温对位芳纶纤维。
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描述。
实施例1
如图1所示，本实施例耐高温对位芳纶纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）将富勒烯C60进行研磨，研磨后的粒度≤0.1μm；再进行干燥，使其含水率≤1‰；
（2）选取对位芳纶树脂比浓对数粘度为5.5dL/g，H2SO4含量为99.98%，对位芳纶树脂与H2SO4质量比例分别为19.6%、80.4%，富勒烯C60的加入量为对位芳纶树脂与H2SO4总质量的1%；在5℃下，先把富勒烯C60与对位芳纶树脂混合，再把富勒烯C60/对位芳纶树脂粉末和H2SO4分别经过失重称计量，进入双螺杆制浆机中，双螺杆制浆机的啮合区温度、制浆区温度分别设定为5℃、84℃，进行纺丝浆液制备；
（3）制备纺丝浆液后，纺丝浆液通过脱泡、过滤，采用干喷湿纺法纺丝，通过孔径为70μm、孔数为400、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过8mm的空气层后进入温度为2.5℃、硫酸含量为2%的水凝固浴中，受到5.5倍的牵伸，纺速为200m/min的情况下，经过5℃的高纯水水洗、pH为9.3的碱水碱洗、120℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到具有一定物理机械性能的纤维，其线密度为400D，拉伸强度为18.5cN/dtex，耐高温性能提高7%，结果参见图2和图3。
实施例2
如图1所示，本实施例耐高温对位芳纶纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）将富勒烯C60进行研磨，研磨后的粒度≤0.1μm；再进行干燥，使其含水率≤1‰；
（2）选取对位芳纶树脂比浓对数粘度为6.0dL/g，H2SO4含量为99.98%，对位芳纶树脂与H2SO4质量比例分别为19.4%、80.6%，富勒烯C60的加入量为对位芳纶树脂与H2SO4总质量的3%；在5℃下，先把富勒烯C60与对位芳纶树脂混合，再把富勒烯C60/对位芳纶树脂粉末和H2SO4分别经过失重称计量，进入双螺杆制浆机中，双螺杆制浆机的啮合区温度、制浆区温度分别设定为5℃、84℃，进行纺丝浆液制备；
（3）制备纺丝浆液后，纺丝浆液通过脱泡、过滤，采用干喷湿纺法纺丝，通过孔径为70μm、孔数为400、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过8mm的空气层后进入温度为2.5℃、硫酸含量为2%的水凝固浴中，受到6倍的牵伸，纺速为200m/min的情况下，经过5℃的高纯水水洗、pH为9.3的碱水碱洗、120℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到具有一定物理机械性能的纤维，其线密度为400D，拉伸强度为19.0cN/dtex，耐高温性能提高10%，结果参见图2和图3。
实施例3
如图1所示，本实施例耐高温对位芳纶纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）将富勒烯C60进行研磨，研磨后的粒度≤0.1μm；再进行干燥，使其含水率≤1‰；
（2）选取对位芳纶树脂比浓对数粘度为6.2dL/g，H2SO4含量为99.98%，对位芳纶树脂与H2SO4质量比例分别为19.3%、80.7%，富勒烯C60的加入量为对位芳纶树脂与H2SO4总质量的4%；在5℃下，先把富勒烯C60与对位芳纶树脂混合，再把富勒烯C60/对位芳纶树脂粉末和H2SO4分别经过失重称计量，进入双螺杆制浆机中，双螺杆制浆机的啮合区温度、制浆区温度分别设定为5℃、84℃，进行纺丝浆液制备；
（3）制备纺丝浆液后，纺丝浆液通过脱泡、过滤，采用干喷湿纺法纺丝，通过孔径为70μm、孔数为400、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过8mm的空气层后进入温度为2.5℃、硫酸含量为2%的水凝固浴中，受到6倍的牵伸，纺速为200m/min的情况下，经过5℃的高纯水水洗、pH为9.3的碱水碱洗、120℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到具有一定物理机械性能的纤维，其线密度为400D，拉伸强度为19.2cN/dtex，耐高温性能提高12%，结果参见图2和图3。
实施例4
如图1所示，本实施例耐高温对位芳纶纤维的制备方法包括如下步骤：
（1）将富勒烯C60进行研磨，研磨后的粒度≤0.1μm；再进行干燥，使其含水率≤1‰；
（2）选取对位芳纶树脂比浓对数粘度为6.5dL/g，H2SO4含量为99.98%，对位芳纶树脂与H2SO4质量比例分别为19.2%、80.8%，富勒烯C60的加入量为对位芳纶树脂与H2SO4总质量的5%；在5℃下，先把富勒烯C60与对位芳纶树脂混合，再把富勒烯C60/对位芳纶树脂粉末和H2SO4分别经过失重称计量，进入双螺杆制浆机中，双螺杆制浆机的啮合区温度、制浆区温度分别设定为5℃、84℃，进行纺丝浆液制备；
（3）制备纺丝浆液后，纺丝浆液通过脱泡、过滤，采用干喷湿纺法纺丝，通过孔径为70μm、孔数为400、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过8mm的空气层后进入温度为2.5℃、硫酸含量为2%的水凝固浴中，受到6.5倍的牵伸，纺速为200m/min的情况下，经过5℃的高纯水水洗、pH为9.3的碱水碱洗、120℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到具有一定物理机械性能的纤维，其线密度为400D，拉伸强度为18.8cN/dtex，耐高温性能提高15%，结果参见图2和图3。
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 (3)

1.一种耐高温对位芳纶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将富勒烯研磨、干燥后备用；
（2）将步骤（1）的富勒烯、对位芳纶树脂、H2SO4分别计量后混合，制备纺丝浆液；
（3）将步骤（2）的纺丝浆液脱泡、过滤，然后采用干喷湿纺法纺丝，再经凝固浴、水洗、碱洗、烘干、上油、卷绕后得到耐高温对位芳纶纤维；
步骤（1）中，所述富勒烯研磨后的粒度≤0.5μm；
步骤（1）中，所述富勒烯干燥后的含水率≤1%；
步骤（2）中，所述对位芳纶树脂的比浓对数粘度为5.2~6.5dL/g；
步骤（2）中，所述H2SO4的质量浓度≥99.7%；
所述步骤（2）中对位芳纶树脂、H2SO4占对位芳纶树脂和H2SO4混合物的质量比分别为19.0%~19.7%、80.3%~81%，所述富勒烯用量为对位芳纶树脂和H2SO4总质量的1%~5%；
所述步骤（2）中，制备纺丝浆液时先将富勒烯和对位芳纶树脂混合均匀，然后再与H2SO4混合；
所述步骤（3）具体为：将步骤（2）的纺丝浆液脱泡、过滤，然后通过孔径为60~85μm、孔数为200~666、材质为钽-铁-钽的喷丝帽挤出，穿过5~12mm的空气层后进入温度为2~4℃、酸含量为0~8%的水凝固浴中，受到4~7倍的牵伸，纺速为200~270m/min的情况下，经过去离子水水洗，pH为9~10的碱水碱洗、110~150℃的烘干，最后上油、卷绕成筒，得到耐高温对位芳纶纤维。
2.根据权利要求1所述的耐高温对位芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述富勒烯为C60或C70或C60、C70的组合，C60、C70组合使用时以任意比例组合。
3.根据权利要求1所述的耐高温对位芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，制备纺丝浆液时使用螺杆制浆机，所述螺杆制浆机为单螺杆制浆机、双螺杆制浆机中的一种。
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