聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲及其製備方法與流程

2023-11-10 01:58:52

本發明涉及一種聚合物碳纖維原絲及其製備方法，特別涉及一種利用聚合物微積分納米層疊膜法的碳纖維原絲及其製備方法，屬於碳纖維領域。

背景技術：

碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95％以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。由於碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介於非金屬和金屬之間，熱膨脹係數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好，被廣泛用於質量輕、強度高等多功能複合材料製品中。

傳統的碳纖維原絲一般分為粘膠纖維、瀝青基纖維和聚丙烯腈纖維三種。採用的工藝一般為凝膠紡絲或者熔融紡絲工藝，主要通過調控牽伸倍數、原料純度、工藝溫度等方法獲得較好的原絲質量，從而獲得碳化和石墨化後的超高強度碳纖維。

近年來也逐步湧現了一些新的原絲製備方法，如靜電紡絲製備納米級聚丙烯腈纖維，然後經過預氧化和碳化獲得納米碳纖維。但是靜電紡絲法中由於溶劑快速揮發導致原絲本身缺陷多，強度低，雖然碳纖維到了納米級，但是強度並沒有得到明顯的提高。

技術實現要素：

本發明涉及一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲及其製造技術，聚合物溶液或者熔體經擠出機和層疊器製造出具有取向結構的納米層疊薄膜，在口模處分割分割形成多條納米層疊薄膜條帶，將每條納米層疊的條帶通過牽伸、冷卻定型，進行收卷獲得最終碳纖維原絲。

本發明專利提出一種基於聚合物微積分加工方法，首先製備獲得納米層疊膜材料，其中可混合少量石墨烯或氧化石墨烯作為後續熱處理結晶石墨化的模版，該膜材料通過微納層疊分子鏈本身具有一定程度的雙向取向，然後將膜材料在口模處切分成多個細條狀，分別通過牽伸工藝，製作成納米微層結構的碳纖維原絲。該原絲不但滿足傳統原絲的分子鏈取向排列的特徵，還具有更大比表面積，而且由於原絲是由成百上千納米層疊薄膜的切條而成，經過碳化和石墨化後，將形成更多緻密的納米級石墨層排列結構，表現出更高的抗拉強度和斷裂伸長率。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，該原絲為聚合物納米層疊薄膜切割獲得的細長條的矩形截面微層結構。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其所述的納米層疊薄膜採用的原料熱塑性聚合物材料，或幾種該類聚合物的混合物，也可以是多組分非熱塑性聚合物的溶液共擠出製備。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其所述的納米層疊薄膜採用的原料也可以是中間相瀝青。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其所採用的納米層疊薄膜為聚合物熔體或溶液經過多個納米層疊器擠出，然後經過雙向拉伸獲得的納米層疊薄膜，該薄膜厚度為0.001～0.2mm，薄膜的層數為300～30000層或者保證單層厚度小於500nm。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其所述的細長條是寬度為0.01～10mm的薄膜長條。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其中可混合少量石墨烯或氧化石墨烯作為後續熱處理結晶石墨化的模版。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法步驟如下：

(a)配置聚合物溶液或熔體，通過多個層疊器組件擠出，並通過厚度為0.2～2mm的片材擠出口模；

(b)片材擠出口模出來的寬幅納米層疊流體先通過流延獲得預牽伸的納米層疊薄膜，然後經過雙向拉伸組件進行再次牽伸，牽伸比為2～4倍，使得薄膜厚度達到0.001～0.2mm；

(c)經過雙向拉伸的納米疊層薄膜通過切割獲得多條寬度為0.01～10mm的薄膜長條；

(d)單條或多條薄膜長條在一定溫度下進行集束、加捻並收卷，獲得碳纖維原絲。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法中(a)中所述層疊器是通過扭轉流道或立交流道設計獲得的層疊器，層疊器的選擇應該根據聚合物流體的粘度、溫度及材料種類來確定，以獲得分層均勻，無亂層為目的。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法中(b)中所述流延是溫度可控的熱空氣環境，也可以是溫度可控的液體環境中進行。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，如果紡絲材料為聚合物熔體，其製備方法中(b)中所述流延方法可以替換為吹膜法進行預牽伸。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法中(c)中所述的切割方法可以是高速旋轉的切刀切割，也可以是雷射切割。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法步驟(d)，在旋轉纏繞的過程中，通過收卷速度的控制，實施再牽伸，牽伸比為2～4倍。

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其製備方法也可不含步驟(d)，直接通過雷射切割獲得橫截面為矩形的碳纖維原絲，長寬比為1～10。

本發明提出了一種雙向拉伸後的納米層疊薄膜條帶的新型連續碳纖維原絲，並闡述了製備該原絲的方法步驟。具有以下特點和優勢：

(1)該原絲具有更大比表面積。

(2)該原絲經過碳化和石墨化後，形成更多緻密的納米級石墨層排列結構和石墨片結構，會表現出更高的抗拉強度。

(3)所述的製備方法簡單易於操控，可批量化實現。

(4)所述的製備方法適用於聚合物溶液和聚合物熔體。

附圖說明

圖1是本發明聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲生產裝置示意圖。

圖2是本發明一種聚合物微積分納米層疊膜截面示意圖。

圖中：1-擠出機，2-層疊器，3-擠出口模，4-層疊薄膜，5-切割組件，6-薄膜長條，7-原絲。

具體實施方式

本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，該原絲為聚合物納米層疊薄膜4切割獲得的細長條的結構，其所採用的納米層疊薄膜4為聚合物溶液或熔體經過多個納米層疊器2擠出，然後經過雙向拉伸獲得的納米層疊薄膜4，該薄膜如圖2所示，該薄膜厚度為0.001～0.2mm，薄膜的層數為300～30000層或者保證單層厚度小於500nm。本發明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲7，如圖1所示，其製備方法步驟如下：(a)配置聚合物溶液或熔體，先通過擠出機1或者其他溶液混配或熔體塑化裝置，然後通過多個層疊器2組件擠出，並通過厚度為0.2～2mm的片材擠出口模3；(b)片材擠出口模3出來的寬幅納米層疊流體先通過流延獲得預牽伸的納米層疊薄膜4，然後經過雙向拉伸組件進行再次牽伸，牽伸比為2～4倍，使得薄膜厚度達到0.001～0.2mm；(c)經過雙向拉伸的納米疊層薄膜4通過切割組件5獲得多條寬度為0.01～10mm的薄膜長條6；(d)單條或多條薄膜長條在一定溫度下進行集束、加捻並收卷，獲得碳纖維原絲7。

本發明的一種實施例為：分別在擠出機1中加入熱塑性改性的納米纖維素和聚丙烯腈顆粒，兩種改性料的熔點和粘度相近，採用四節一分出四的納米疊層器，獲得的納米層疊薄膜4為512層，通過的擠出模頭厚度為0.5mm，寬度為200mm，再經過5倍的牽伸比，獲得的膜厚為0.1mm，平均每層厚度約為200nm；然後將厚度0.1mm的薄膜利用雷射切割組件5切割為40份5mm寬的薄膜長條6；最後利用收卷為碳纖維原絲7。