一種含矽芳基乙炔樹脂熔體紡絲纖維的製備方法與流程
2023-07-29 04:48:51 4
本發明涉及一種含矽芳基乙炔樹脂熔體紡絲纖維的製備方法。
背景技術：
含矽芳基乙炔是一種引入矽元素的芳基多炔材料，由乙炔基芳烴為單體聚合而成的高性能聚合物。其分子鏈主鏈上含有矽元素和剛性的苯環結構。與傳統的耐高溫樹脂相比，芳基乙炔樹脂具有許多優點：單體粘度低，易於浸漬成型；固化過程中無小分子揮發，固化後交聯密度高，具有很好的機械性能和耐熱性能；吸水率較低，熱解後殘炭率高。因此芳基乙炔樹脂適用於製備陶瓷前軀體、高性能複合材料基體、耐燒蝕材料、耐高溫塗層等多種用途。
1997年，日本的Itoh等人第一次使用氧化鎂催化劑合成了含有矽氫的芳基乙炔樹脂，稱為MSP樹脂(M Itoh,K Inoue，Macromolecules，1997，30:694-701.)。該聚合物在850℃時的熱失重5％，1000℃時的殘留率在94％。2000年，法國的Buvat等人合成了以苯乙烯封端的聚(亞甲矽基對苯乙炔)樹脂，稱為BLJ樹脂(P Buvat,F Jousse,et al.International SAMPE Symposium and Exhibition,2000,46:134-144)。BLJ樹脂有著良好的加工性能和耐熱性。國內華東理工大學的黃髮榮等人製備了多種結構的含矽芳基乙炔樹脂(CN-100540577C等)。但以上研究均關注於含矽芳基乙炔樹脂，關注於製備含矽芳基乙炔纖維的研究很少。
靜電紡絲技術分為溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲。與溶液靜電紡絲相比，熔體靜電紡絲不需要使用溶劑，排除了溶劑對實驗的影響，也不用再纖維中去除殘留的溶劑。這意味著熔體靜電紡絲技術相比於溶液靜電紡絲技術對環境更友好更通用，不用回收溶劑，不用考慮通風問題，簡單易實施，也降低了紡絲成本。利用該方法得到的纖維表面光滑，形貌良好，粗細均勻。該製備方法操作性好，產品的產量較高，價格相對低廉。近些年來開發和完善熔體靜電紡絲技術已成為研究熱點。
隨著科學技術的發展進步，在航空航天、汽車製造、電子電器等領域，特別是高速飛行和宇宙航行領域，對聚合物基複合材料的耐高溫性能提出更高的要求。通用型耐高溫聚合物材料，如：環氧樹脂、酚酸樹脂、聚氨酯、聚醯胺及聚醯亞胺等傳統的複合材料樹脂基體已不能滿足高科技領域發展對材料的要求。研究開發新型耐高溫複合材料聚合物是當前航空航天、交通、電子等領域發展的基礎，具有非常重要的意義。含矽芳基乙炔纖維有著優異的耐熱性能，介電性能和成碳性能，在碳/碳複合材料領域、航空航天、交通、能源動力、國防、陶瓷前驅體、電子器件等方面有著應用潛力。
技術實現要素：
本發明將含矽芳基乙炔原料高溫熔融，再利用靜電力的作用將其紡成微米級纖維，最小的直徑可以達到數個微米。為了實現上述目的，本發明採取以下技術方案：
(1)設置熔體電紡裝置，設置一定的接收距離，將料筒溫度加熱到一定的溫度，帶溫度穩定後，加入一定量的含矽芳基乙炔樹脂原料，加熱一定時間，使含矽芳基乙炔樹脂原料在料筒內熔融；
(2)當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，加上一定的電壓，使熔體在高壓靜電的電場力作用下噴射到接收裝置上，得到含矽芳基乙炔纖維。
其中，優選地，步驟(1)中所述的溫度為130-190℃，特別優選為150℃；
優選地，步驟(1)中所述的加熱時間為1-5min，特別優選為1min；
優選地，步驟(1)中所述的接收距離為3-8cm，特別優選為6cm；
優選地，步驟(2)中所述的電壓為25-50kV，特別優選為40kV。
本發明由於採取以上技術方案，具有以下優點：
(1)熔體靜電紡絲技術將原料直接紡絲，不添加其他可能有毒的成分，保證所紡纖維的安全性；
(2)由於紡絲過程無溶劑的揮發，纖維表面光滑，紡絲效率大大提高,節約了能源和成本；
(3)熔體靜電紡絲法製備的將含矽芳基乙炔纖維是連續的長纖維，纖維直徑小，比表面積大，可作為高耐熱材料用於航空航天、交通、能源動力、國防、陶瓷前驅體、電子器件等方面。
附圖說明
圖1是例1的SEM圖像
圖2是例1的TGA圖像
圖3是例2的SEM圖像
圖4是例4的SEM圖像
具體實施方式
實施實例1
將熔體紡絲裝置溫度設定為130℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓35kV。接收距離為6cm，開始紡絲。紡絲20min後，取出纖維。圖1為所得的以苯乙炔封端的含矽芳基乙炔纖維的SEM照片，從圖中可以觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為17.80μm。對纖維進行TGA測試，結果如圖4所示，發現在400℃時纖維的殘留率在94％左右，說明纖維具有良好的耐熱性能。並且以下實施例均400℃時纖維的殘留率在94％左右，說具有非常類似的效果都具有良好的耐熱性能。
實施實例2
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓35kV。接收距離為6cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。圖2為所得的以苯乙炔封端的含矽芳基乙炔纖維的SEM照片，從圖中可以觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為5.23μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例3
將熔體紡絲裝置溫度設定為190℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓35kV。接收距離為6cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。由SEM觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為8.10μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例4
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓40kV。接收距離為3cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。圖3為所得的以苯乙炔封端的含矽芳基乙炔纖維的SEM照片，從圖中可以觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為10.36μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例5
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓40kV。接收距離為8cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。由SEM觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為29.35μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例6
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓25kV。接收距離為7cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。纖維的平均直徑為62.53μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例7
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.2g的PMEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓50kV。接收距離為7cm，開始紡絲。由SEM觀察到的纖維的平均直徑為17.80μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例8
將熔體紡絲裝置溫度設定為130℃，待溫度穩定後，加入0.1g的PMDSEPE原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓35kV。接收距離為7cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。由SEM觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為23.87μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例9
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.1g的PMDSEP-1原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓35kV。接收距離為7cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。由SEM觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為15.66μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。
實施實例10
將熔體紡絲裝置溫度設定為150℃，待溫度穩定後，加入0.1g的PMDSEPE-5原料，恆溫1min後，使原料在料筒中充分熔融。當熔體開始通過噴頭向下滴出時，開啟高壓直流發生器電源，紡絲電壓40kV。接收距離為7cm，開始紡絲。紡絲10min後，取出纖維。由SEM觀察到纖維的形貌良好，粗細均勻，表面較為光滑。纖維的平均直徑為17.12μm。對纖維進行TGA測試，發現纖維具有良好的耐熱性能。