本發(fā)明涉及一種聚合物碳纖維原絲及其制備方法，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制備方法，屬于碳纖維領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)，是一種含碳量在95％以上的高強(qiáng)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(jī)纖維沿纖維軸向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。由于碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過(guò)性好，被廣泛用于質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等多功能復(fù)合材料制品中。

傳統(tǒng)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。采用的工藝一般為凝膠紡絲或者熔融紡絲工藝，主要通過(guò)調(diào)控牽伸倍數(shù)、原料純度、工藝溫度等方法獲得較好的原絲質(zhì)量，從而獲得碳化和石墨化后的超高強(qiáng)度碳纖維。

近年來(lái)也逐步涌現(xiàn)了一些新的原絲制備方法，如靜電紡絲制備納米級(jí)聚丙烯腈纖維，然后經(jīng)過(guò)預(yù)氧化和碳化獲得納米碳纖維。但是靜電紡絲法中由于溶劑快速揮發(fā)導(dǎo)致原絲本身缺陷多，強(qiáng)度低，雖然碳纖維到了納米級(jí)，但是強(qiáng)度并沒有得到明顯的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲及其制造技術(shù)，聚合物溶液或者熔體經(jīng)擠出機(jī)和層疊器制造出具有取向結(jié)構(gòu)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(guò)牽伸、冷卻定型，進(jìn)行收卷獲得最終碳纖維原絲。

本發(fā)明專利提出一種基于聚合物微積分加工方法，首先制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后續(xù)熱處理結(jié)晶石墨化的模版，該膜材料通過(guò)微納層疊分子鏈本身具有一定程度的雙向取向，然后將膜材料在口模處切分成多個(gè)細(xì)條狀，分別通過(guò)牽伸工藝，制作成納米微層結(jié)構(gòu)的碳纖維原絲。該原絲不但滿足傳統(tǒng)原絲的分子鏈取向排列的特征，還具有更大比表面積，而且由于原絲是由成百上千納米層疊薄膜的切條而成，經(jīng)過(guò)碳化和石墨化后，將形成更多致密的納米級(jí)石墨層排列結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

本發(fā)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(xì)長(zhǎng)條的矩形截面微層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)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采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制備。

本發(fā)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采用的原料也可以是中間相瀝青。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其所采用的納米層疊薄膜為聚合物熔體或溶液經(jīng)過(guò)多個(gè)納米層疊器擠出，然后經(jīng)過(guò)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(shù)為300～30000層或者保證單層厚度小于500nm。

本發(fā)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(xì)長(zhǎng)條是寬度為0.01～10mm的薄膜長(zhǎng)條。

本發(fā)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后續(xù)熱處理結(jié)晶石墨化的模版。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其制備方法步驟如下：

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

(b)片材擠出口模出來(lái)的寬幅納米層疊流體先通過(guò)流延獲得預(yù)牽伸的納米層疊薄膜，然后經(jīng)過(guò)雙向拉伸組件進(jìn)行再次牽伸，牽伸比為2～4倍，使得薄膜厚度達(dá)到0.001～0.2mm；

(c)經(jīng)過(guò)雙向拉伸的納米疊層薄膜通過(guò)切割獲得多條寬度為0.01～10mm的薄膜長(zhǎng)條；

(d)單條或多條薄膜長(zhǎng)條在一定溫度下進(jìn)行集束、加捻并收卷，獲得碳纖維原絲。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其制備方法中(a)中所述層疊器是通過(guò)扭轉(zhuǎn)流道或立交流道設(shè)計(jì)獲得的層疊器，層疊器的選擇應(yīng)該根據(jù)聚合物流體的粘度、溫度及材料種類來(lái)確定，以獲得分層均勻，無(wú)亂層為目的。

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

本發(fā)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，其制備方法中(b)中所述流延方法可以替換為吹膜法進(jìn)行預(yù)牽伸。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其制備方法中(c)中所述的切割方法可以是高速旋轉(zhuǎn)的切刀切割，也可以是激光切割。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其制備方法步驟(d)，在旋轉(zhuǎn)纏繞的過(guò)程中，通過(guò)收卷速度的控制，實(shí)施再牽伸，牽伸比為2～4倍。

本發(fā)明提出了一種聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲，其制備方法也可不含步驟(d)，直接通過(guò)激光切割獲得橫截面為矩形的碳纖維原絲，長(zhǎng)寬比為1～10。

本發(fā)明提出了一種雙向拉伸后的納米層疊薄膜條帶的新型連續(xù)碳纖維原絲，并闡述了制備該原絲的方法步驟。具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

(1)該原絲具有更大比表面積。

(2)該原絲經(jīng)過(guò)碳化和石墨化后，形成更多致密的納米級(jí)石墨層排列結(jié)構(gòu)和石墨片結(jié)構(gòu)，會(huì)表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度。

(3)所述的制備方法簡(jiǎn)單易于操控，可批量化實(shí)現(xiàn)。

(4)所述的制備方法適用于聚合物溶液和聚合物熔體。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明聚合物微積分納米層疊膜法碳纖維原絲生產(chǎn)裝置示意圖。

圖2是本發(fā)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(jī)，2-層疊器，3-擠出口模，4-層疊薄膜，5-切割組件，6-薄膜長(zhǎng)條，7-原絲。

具體實(shí)施方式

本發(fā)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(xì)長(zhǎng)條的結(jié)構(gòu)，其所采用的納米層疊薄膜4為聚合物溶液或熔體經(jīng)過(guò)多個(gè)納米層疊器2擠出，然后經(jīng)過(guò)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(shù)為300～30000層或者保證單層厚度小于500nm。本發(fā)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，其制備方法步驟如下：(a)配置聚合物溶液或熔體，先通過(guò)擠出機(jī)1或者其他溶液混配或熔體塑化裝置，然后通過(guò)多個(gè)層疊器2組件擠出，并通過(guò)厚度為0.2～2mm的片材擠出口模3；(b)片材擠出口模3出來(lái)的寬幅納米層疊流體先通過(guò)流延獲得預(yù)牽伸的納米層疊薄膜4，然后經(jīng)過(guò)雙向拉伸組件進(jìn)行再次牽伸，牽伸比為2～4倍，使得薄膜厚度達(dá)到0.001～0.2mm；(c)經(jīng)過(guò)雙向拉伸的納米疊層薄膜4通過(guò)切割組件5獲得多條寬度為0.01～10mm的薄膜長(zhǎng)條6；(d)單條或多條薄膜長(zhǎng)條在一定溫度下進(jìn)行集束、加捻并收卷，獲得碳纖維原絲7。

本發(fā)明的一種實(shí)施例為：分別在擠出機(jī)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(diǎn)和粘度相近，采用四節(jié)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(guò)的擠出模頭厚度為0.5mm，寬度為200mm，再經(jīng)過(guò)5倍的牽伸比，獲得的膜厚為0.1mm，平均每層厚度約為200nm；然后將厚度0.1mm的薄膜利用激光切割組件5切割為40份5mm寬的薄膜長(zhǎng)條6；最后利用收卷為碳纖維原絲7。