[发明专利]一种提高聚丙烯腈初生纤维均质化及结晶度的凝固成型方法

说明书

本发明公开了一种提高聚丙烯腈初生纤维均质化及结晶度的凝固成型方法，包括如下步骤：将丙烯腈与共聚单体共聚得到的聚丙烯腈原液经喷丝后进入凝固浴中，并进行牵伸，得到初生纤维；所述凝固浴包括凝固剂和溶剂，所述凝固剂为二甘醇，溶剂选自二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮、NaSCN水溶液或ZnClsubgt;2/subgt;水溶液，凝固浴中，凝固剂的质量百分数为20％‑80％；所述共聚单体选自衣康酸、丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸或丙烯酰胺。

技术领域

本发明属于高性能碳纤维原丝制备技术领域，具体涉及一种提高聚丙烯腈初生纤维均质化及结晶度的凝固成型方法，用于制备高性能碳纤维PAN前驱体。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

碳纤维具有高比强度、高比模量、导热、耐热、自润滑等优点。作为一种不可或缺的材料，碳纤维被广泛应用在汽车、航空航天、生物医药、可再生能源、建筑材料等领域。

在湿纺过程中，聚丙烯腈细流通过喷丝孔进入到凝固浴中，然后发生因浓度差造成的原液中溶剂向凝固浴扩散，以及凝固浴中凝固剂向原液扩散的双扩散，最终原液细流达到临界浓度而析出初生纤维。此过程决定了初生纤维的均质程度。双扩散速度越快，凝固剂与聚丙烯腈链作用力越强，则越容易在初生纤维皮层快速形成致密结构，增大了凝固剂向初生纤维内部扩散的阻力，从而造成初生纤维内部结构疏松以及皮芯结构严重，并将结构遗传给碳纤维。并且，凝固剂与聚丙烯腈链作用越强，则聚丙烯腈链受到束缚越大，因此不能自由地移动排列参与结晶生成，最终造成初生纤维的结晶度变低。

目前通用技术都是用水作为凝固剂，但由于水的极性强，对聚丙烯腈链束缚强，导致剧烈相分离，因此初生纤维容易产生孔洞并且质地不均匀。而通过提高溶剂浓度来缓解凝固浴中水与聚丙烯腈链的作用程度，又会导致扩散动力不足，使得初生纤维出现溶胀和黏连，并且整体结构疏松。除此之外，考虑到凝固浴中溶剂的价格，提高溶剂在凝固浴中的占比，往往会增加生产成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种提高聚丙烯腈初生纤维均质化及结晶度的凝固成型方法，能够有效减缓双扩散，并且减少溶剂的消耗，从而获得高性能聚丙烯腈原丝及碳纤维。在湿法纺丝过程中，合理的选择凝固剂，通过降低溶剂消耗量的同时，又能减缓双扩散导致的剧烈相分离，以及提高初生纤维的结晶性，从而可以制备出均质又具有高机械强度的原丝。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种提高聚丙烯腈初生纤维均质化及结晶度的凝固成型方法，包括如下步骤：

将丙烯腈与共聚单体共聚得到的聚丙烯腈原液经喷丝后进入凝固浴中，并进行牵伸，得到初生纤维；

所述凝固浴包括凝固剂和溶剂，所述凝固剂为二甘醇，溶剂选自二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、丙酮、NaSCN水溶液或ZnCl₂水溶液，凝固浴中，凝固剂的质量百分数为20％-80％；

以上溶剂是生产聚丙烯腈原丝的溶剂，凝固浴中的溶剂要与之匹配。

所述共聚单体选自衣康酸、丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸或丙烯酰胺。

以上共聚单体具有空间体积较大的优点，因此可以降低聚丙烯腈分子链之间的作用，从而改善聚丙烯腈纤维的弹性。除此之外，以上共聚单体，可以提高聚丙烯腈纤维的环化程度，从而使得纤维更加致密。

在凝固浴中，聚丙烯腈原液细流中的溶剂扩散到凝固浴中，凝固浴中的凝固剂扩散到原液细流中，当双扩散达到平衡时，原液细流达到临界浓度而析出。

在一些实施例中，凝固浴的温度为20-70℃。采用该凝固温度可以获得纤维的均匀凝固。