聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝及其制备方法与流程

本发明涉及一种聚合物碳纤维原丝及其制备方法，特别涉及一种利用聚合物微积分纳米层叠膜法的碳纤维原丝及其制备方法，属于碳纤维领域。

背景技术：

碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。由于碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，被广泛用于质量轻、强度高等多功能复合材料制品中。

传统的碳纤维原丝一般分为粘胶纤维、沥青基纤维和聚丙烯腈纤维三种。采用的工艺一般为凝胶纺丝或者熔融纺丝工艺，主要通过调控牵伸倍数、原料纯度、工艺温度等方法获得较好的原丝质量，从而获得碳化和石墨化后的超高强度碳纤维。

近年来也逐步涌现了一些新的原丝制备方法，如静电纺丝制备纳米级聚丙烯腈纤维，然后经过预氧化和碳化获得纳米碳纤维。但是静电纺丝法中由于溶剂快速挥发导致原丝本身缺陷多，强度低，虽然碳纤维到了纳米级，但是强度并没有得到明显的提高。

技术实现要素：

本发明涉及一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝及其制造技术，聚合物溶液或者熔体经挤出机和层叠器制造出具有取向结构的纳米层叠薄膜，在口模处分割分割形成多条纳米层叠薄膜条带，将每条纳米层叠的条带通过牵伸、冷却定型，进行收卷获得最终碳纤维原丝。

本发明专利提出一种基于聚合物微积分加工方法，首先制备获得纳米层叠膜材料，其中可混合少量石墨烯或氧化石墨烯作为后续热处理结晶石墨化的模版，该膜材料通过微纳层叠分子链本身具有一定程度的双向取向，然后将膜材料在口模处切分成多个细条状，分别通过牵伸工艺，制作成纳米微层结构的碳纤维原丝。该原丝不但满足传统原丝的分子链取向排列的特征，还具有更大比表面积，而且由于原丝是由成百上千纳米层叠薄膜的切条而成，经过碳化和石墨化后，将形成更多致密的纳米级石墨层排列结构，表现出更高的抗拉强度和断裂伸长率。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，该原丝为聚合物纳米层叠薄膜切割获得的细长条的矩形截面微层结构。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其所述的纳米层叠薄膜采用的原料热塑性聚合物材料，或几种该类聚合物的混合物，也可以是多组分非热塑性聚合物的溶液共挤出制备。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其所述的纳米层叠薄膜采用的原料也可以是中间相沥青。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其所采用的纳米层叠薄膜为聚合物熔体或溶液经过多个纳米层叠器挤出，然后经过双向拉伸获得的纳米层叠薄膜，该薄膜厚度为0.001～0.2mm，薄膜的层数为300～30000层或者保证单层厚度小于500nm。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其所述的细长条是宽度为0.01～10mm的薄膜长条。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其中可混合少量石墨烯或氧化石墨烯作为后续热处理结晶石墨化的模版。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法步骤如下：

(a)配置聚合物溶液或熔体，通过多个层叠器组件挤出，并通过厚度为0.2～2mm的片材挤出口模；

(b)片材挤出口模出来的宽幅纳米层叠流体先通过流延获得预牵伸的纳米层叠薄膜，然后经过双向拉伸组件进行再次牵伸，牵伸比为2～4倍，使得薄膜厚度达到0.001～0.2mm；

(c)经过双向拉伸的纳米叠层薄膜通过切割获得多条宽度为0.01～10mm的薄膜长条；

(d)单条或多条薄膜长条在一定温度下进行集束、加捻并收卷，获得碳纤维原丝。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法中(a)中所述层叠器是通过扭转流道或立交流道设计获得的层叠器，层叠器的选择应该根据聚合物流体的粘度、温度及材料种类来确定，以获得分层均匀，无乱层为目的。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法中(b)中所述流延是温度可控的热空气环境，也可以是温度可控的液体环境中进行。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，如果纺丝材料为聚合物熔体，其制备方法中(b)中所述流延方法可以替换为吹膜法进行预牵伸。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法中(c)中所述的切割方法可以是高速旋转的切刀切割，也可以是激光切割。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法步骤(d)，在旋转缠绕的过程中，通过收卷速度的控制，实施再牵伸，牵伸比为2～4倍。

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，其制备方法也可不含步骤(d)，直接通过激光切割获得横截面为矩形的碳纤维原丝，长宽比为1～10。

本发明提出了一种双向拉伸后的纳米层叠薄膜条带的新型连续碳纤维原丝，并阐述了制备该原丝的方法步骤。具有以下特点和优势：

(1)该原丝具有更大比表面积。

(2)该原丝经过碳化和石墨化后，形成更多致密的纳米级石墨层排列结构和石墨片结构，会表现出更高的抗拉强度。

(3)所述的制备方法简单易于操控，可批量化实现。

(4)所述的制备方法适用于聚合物溶液和聚合物熔体。

附图说明

图1是本发明聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝生产装置示意图。

图2是本发明一种聚合物微积分纳米层叠膜截面示意图。

图中：1-挤出机，2-层叠器，3-挤出口模，4-层叠薄膜，5-切割组件，6-薄膜长条，7-原丝。

具体实施方式

本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝，该原丝为聚合物纳米层叠薄膜4切割获得的细长条的结构，其所采用的纳米层叠薄膜4为聚合物溶液或熔体经过多个纳米层叠器2挤出，然后经过双向拉伸获得的纳米层叠薄膜4，该薄膜如图2所示，该薄膜厚度为0.001～0.2mm，薄膜的层数为300～30000层或者保证单层厚度小于500nm。本发明提出了一种聚合物微积分纳米层叠膜法碳纤维原丝7，如图1所示，其制备方法步骤如下：(a)配置聚合物溶液或熔体，先通过挤出机1或者其他溶液混配或熔体塑化装置，然后通过多个层叠器2组件挤出，并通过厚度为0.2～2mm的片材挤出口模3；(b)片材挤出口模3出来的宽幅纳米层叠流体先通过流延获得预牵伸的纳米层叠薄膜4，然后经过双向拉伸组件进行再次牵伸，牵伸比为2～4倍，使得薄膜厚度达到0.001～0.2mm；(c)经过双向拉伸的纳米叠层薄膜4通过切割组件5获得多条宽度为0.01～10mm的薄膜长条6；(d)单条或多条薄膜长条在一定温度下进行集束、加捻并收卷，获得碳纤维原丝7。

本发明的一种实施例为：分别在挤出机1中加入热塑性改性的纳米纤维素和聚丙烯腈颗粒，两种改性料的熔点和粘度相近，采用四节一分出四的纳米叠层器，获得的纳米层叠薄膜4为512层，通过的挤出模头厚度为0.5mm，宽度为200mm，再经过5倍的牵伸比，获得的膜厚为0.1mm，平均每层厚度约为200nm；然后将厚度0.1mm的薄膜利用激光切割组件5切割为40份5mm宽的薄膜长条6；最后利用收卷为碳纤维原丝7。