本發明屬于機械設備,具體地說,涉及一種聚丙烯腈纖維的制備方法、聚丙烯腈纖維及碳氈。
背景技術:
1、碳氈以其良好的耐高溫隔熱性、導電性、摩擦性能而被廣泛應用于制作高溫隔熱材料、導電材料、吸波材料、摩擦材料等領域。具體地,碳氈可以用來制作真空電阻爐、感應爐、燒結爐等高溫加熱設備的爐膛及高溫加熱設備外部保溫隔熱設備;碳氈還可以用作航空航天器的殼體隔熱材料;碳氈也可以用作高溫氣體、熔融金屬的過濾器件;碳氈也可以用作電解電極、吸波材料以及飛機、汽車的剎車片等。伴隨著其應用范圍的不斷擴大,對專業生產碳氈的聚丙烯腈纖維需求也不斷加大。
2、現階段,碳氈的生產方法主要有以下兩種:
3、第一種方法是以聚丙烯腈預氧化纖維短纖為原料經針刺成氈,再經高溫碳化后制得碳氈。該方法的優點是厚度均勻,氈體柔軟;缺點是氈體強度差,厚度很難提高,通常在5mm以下。由于預氧化纖維表面光滑,無卷曲,纖維之間抱合力差。纖維本身容易脆斷,難以經歷多次針刺,由此也帶來了原料損耗嚴重,織成率低的問題,這也使得產品成本大為增加。
4、第二種方法是用粘膠生產碳氈,但由于粘膠基纖維原絲生產過程污染大、生產工藝復雜、強度低、性價比低等缺點,使其應用范圍受到限制。
5、有鑒于此,特提出本發明。
技術實現思路
1、本發明提供一種聚丙烯腈纖維的制備方法、聚丙烯腈纖維及碳氈,以實現提高聚丙烯腈纖維卷曲數,進而提高纖維抱合力,提升碳氈機械強度,降低生產成本的目的。
2、為解決上述技術問題,本發明采用技術方案的基本構思是:
3、一種聚丙烯腈纖維的制備方法,包括:
4、1)將丙烯腈、丙烯酸甲酯混合,進行水相懸浮聚合反應,聚合反應時加入過硫酸銨催化劑進行催化還原反應,水洗、造粒、烘干得到的粉末狀聚合物;
5、2)將粉末狀聚合物溶于二甲基乙酰胺溶劑,經升溫、混合、降溫、過濾制得紡絲原液;
6、3)紡絲原液經過濕法紡絲得到聚丙烯腈纖維。
7、進一步地,丙烯腈與丙烯酸甲酯的質量比為91.3~95.25:4.75~8.7wt%。
8、進一步地,所述步驟1)中,將丙烯腈、丙烯酸甲酯混合后,加入蒸餾水,在50~60℃,ph為2.5~4.0下連續進行水相懸浮聚合反應,聚合反應時加入催化劑過硫酸銨進行催化還原反應。
9、進一步地,所述步驟1)中,加入蒸餾水后丙烯腈、丙烯酸甲酯的總濃度為21~25wt%,催化劑過硫酸銨的濃度為1.15-1.85wt%。
10、進一步地,所述步驟2)中,粉末狀聚合物與二甲基乙酰胺溶劑的質量比為20~25:75~80。
11、進一步地,所述步驟2)中,將粉末狀聚合物溶于二甲基乙酰胺溶劑,經加熱升溫至83~90℃、混合、冷卻降溫至68~75℃,過濾制得紡絲原液。
12、進一步地,所述步驟3)中,所述步驟3)中,凝固浴液中二甲基乙酰胺的質量濃度為35~50wt%;
13、優選的,凝固浴液溫度為35~50℃。
14、進一步地,所述步驟3)中,從凝固浴液中噴出的聚丙烯腈初生纖維經雙擴散成型、水洗、上油、烘干、卷曲,牽伸倍數為10~15倍,凝固浴液中紡絲原液噴絲速度與牽伸速度比值為0.513~0.620。
15、本發明還提供一種采用上述技術方案任一所述的制備方法制備的聚丙烯腈纖維,聚丙烯腈纖維的斷裂強度為2.47~2.73cn/dtex、斷裂伸長率為37~53%、卷曲數為39~50。
16、本發明還提供一種碳氈,采用上述技術方案所述的聚丙烯腈纖維制成,碳氈的體積密度為0.01—0.18g/cm3,碳氈的抗拉強度為0.15—0.3mpa,碳氈的熱導系數為0.06—0.10w/m.k;
17、優選的,所述碳氈的長度為1-18m,寬度為1-1.2m,厚度為5-10mm,含碳量≥99.5%,灰份≤0.3%,吸濕氣率≤1.5%。
18、采用上述技術方案后,本發明與現有技術相比具有以下有益效果。
19、本發明制得的聚丙烯腈纖維強度大、伸長率高、卷曲數大,由本發明纖維制成的碳氈抗拉強度高、整體穩定性好,減少了在拉伸和處理過程中纖維的斷裂,提高了碳氈制備的穩定性,本發明纖維卷曲數大,能夠在碳化結構中形成更為開放的孔隙結構,有利于提高碳氈的表面積和吸附性能。
1.一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:
2.根據權利要求1所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟1)中,丙烯腈與丙烯酸甲酯的質量比為91.3~95.25:4.75~8.7wt%。
3.根據權利要求1或2所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟1)中,將丙烯腈、丙烯酸甲酯混合后,加入蒸餾水,在50~60℃,ph為2.5~4.0下連續進行水相懸浮聚合反應,聚合反應時加入催化劑過硫酸銨進行催化還原反應。
4.根據權利要求3所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟1)中,加入蒸餾水后丙烯腈、丙烯酸甲酯的總濃度為21~25wt%,催化劑過硫酸銨的濃度為1.15-1.85wt%。
5.根據權利要求1-4任一所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟2)中,粉末狀聚合物與二甲基乙酰胺溶劑的質量比為20~25:75~80。
6.根據權利要求1-5任一所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟2)中,將粉末狀聚合物溶于二甲基乙酰胺溶劑,經加熱升溫至83~90℃、混合、冷卻降溫至68~75℃,過濾制得紡絲原液。
7.根據權利要求1-5任一所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟3)中,所述步驟3)中,凝固浴液中二甲基乙酰胺的質量濃度為35~50wt%;
8.根據權利要求7所述的一種聚丙烯腈纖維的制備方法,其特征在于:所述步驟3)中,從凝固浴液中噴出的聚丙烯腈初生纖維經雙擴散成型、水洗、上油、烘干、卷曲,牽伸倍數為10~15倍,凝固浴液中紡絲原液噴絲速度與牽伸速度比值為0.453~0.620。
9.一種采用上述權利要求1-8任一所述的制備方法制備的聚丙烯腈纖維,其特征在于:聚丙烯腈纖維的斷裂強度為2.47~2.73cn/dtex、斷裂伸長率為37~53%、卷曲數為39~50。
10.一種碳氈,其特征在于:采用上述權利要求9所述的聚丙烯腈纖維制成,碳氈的體積密度為0.01—0.18g/cm3,碳氈的抗拉強度為0.15—0.3mpa,碳氈的熱導系數為0.06—0.10w/m.k;