[发明专利]以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了以纤维素纳米晶‑聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维及其制备方法，其中所述方法包括：(1)将纤维素纳米晶与丙烯腈单体在有机溶剂中反应，得到纤维素纳米晶‑丙烯腈聚合物溶液；(2)将所述纤维素纳米晶‑丙烯腈聚合物溶液进行过滤、脱泡和纺丝，得到纤维素纳米晶‑聚丙烯腈复合纤维；(3)将所述纤维素纳米晶‑聚丙烯腈复合纤维进行预氧化和碳化处理，得到以纤维素纳米晶‑聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维。与普通聚丙烯腈基碳纤维(未加入纤维素纳米晶)相比，本发明所得的纤维素纳米晶‑聚丙烯腈基复合碳纤维的单丝强度可提高至少8％，模量可提高至少10％。

技术领域

本发明属于碳纤维领域，具体涉及一种以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维及其制备方法。

背景技术

纤维素纳米晶由于具有优异的力学、表面物理化学性能、特殊的流变特性，使得纤维素纳米晶/聚合物复合材料成为当今世界研究的热点。然而纤维素纳米晶表面丰富的羟基以及范德华力导致纤维素纳米晶会在聚合物中发生团聚。聚丙烯腈纤维是制备碳纤维的重要前驱体，在航空航天以及工业领域中有着广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维及其制备方法，该方法通过将丙烯腈单体与纤维素纳米晶在有机溶剂中反应，在后续纺丝过程中纤维素纳米晶能够调控聚丙烯腈纤维的结晶结构，在后续的预氧化和碳化过程中也能够实现晶体结构调控，提升最终碳纤维的力学性能。具体的，与普通聚丙烯腈基碳纤维(未加入纤维素纳米晶)相比，本发明所得的以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维的单丝强度可提高至少8％，模量可提高至少10％。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将纤维素纳米晶与丙烯腈单体在有机溶剂中反应，得到纤维素纳米晶-丙烯腈聚合物溶液；(2)将所述纤维素纳米晶-丙烯腈聚合物溶液进行过滤、脱泡和纺丝，得到纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维；(3)将所述纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维进行预氧化和碳化处理，得到以纤维素纳米晶-聚丙烯腈复合纤维为前驱体的碳纤维。

优选地，在步骤(1)中，所述纤维素纳米晶的长径比为5～50。

优选地，在步骤(1)中，所述纤维素纳米晶的分子量为10000～30000g/mol。

优选地，在步骤(1)中，所述纤维素纳米晶与所述丙烯腈单体的质量比为(1～50)：100。

优选地，在步骤(1)中，所述纤维素纳米晶与所述丙烯腈单体的总质量占所述有机溶剂质量的15～50wt％。

优选地，在步骤(1)中，所述反应温度为50～70摄氏度，时间为6～50小时。

优选地，在步骤(1)中，所述有机溶剂包括二甲基亚砜、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的至少之一。

优选地，在步骤(3)中，所述预氧化在空气气氛下进行，并且所述预氧化依次包括第一温区、第二温区和第三温区，所述第一温区、所述第二温区和所述第三温区时间比为(1～2)：(4～6)：(4～6)，所述第一温区温度为180～210℃，所述第二温区温度为210～240℃，所述第三温区温度为240～280℃，所述预氧化过程总时间为30～150分钟，牵伸总倍率1.0～1.2倍。

优选地，在步骤(3)中，所述碳化包括低温碳化和所述高温碳化，其中，所述低温碳化在氮气气氛下进行，所述低温碳化温度为400～850℃，时间为1～5分钟，牵伸倍率为1.0～1.2倍。

优选地，所述高温碳化在氮气气氛下进行，所述高温碳化温度为1200～1400℃，时间为2～4分钟，牵伸倍率为0.95～1.05倍。