PBO/单壁碳纳米管复合纤维的热处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种复合纤维的热处理方法。
背景技术
以4，6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DADHB)和对苯二甲酸(PTA)为聚合单体，在多聚磷酸中缩聚可得液晶PBO(Poly-p-phenylene-benzobisthiazole)聚合物，采用干喷-湿法纺丝工艺可制得PBO纤维，结构式如下：
PBO纤维是聚对苯撑苯并双噁唑纤维(Poly-p-phenylene-benzobisthiazole)的简称，是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的一个成员，是目前世界上强度最高的工业纤维。它的拉伸强度达5.8GPa，拉伸模量为280～380GPa，热分解温度高达650℃，而密度仅为1.56×103kg/m3。
单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes，SWNT)这种由石墨片层卷曲而形成的碳纳米管是继石墨、金刚石、富勒烯之后发现的又一种单质形态的碳，美国碳纳米管技术公司(Carbon Nanotechnologies Inc.C-NI)在PBO中加入10wt％单壁碳纳米管(SWNT)制得PBO/SWNT复合纤维，经实验研究，该复合纤维对能量的吸收性能是纯PBO的二倍，其拉伸强度可达到8GPa以上，其综合性能超过了PBO纤维，引起来广泛的关注。
要制备PBO/SWNT复合纤维，首先要解决的就是SWNT在PBO基体中的分散问题。由于SWNT的表面积很大，表面能高，因此，制备出的SWNT基本上以管束的形式存在，并团聚在一起。团聚的纳米管束不能充分发挥SWNT对PB0基体的增强作用。所以含有单壁碳纳米管的PBO复合纤维中很难形成完整的微晶结构。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决PBO/单壁碳纳米管复合纤维微晶结构不完善的问题，提供了一种PBO/单壁碳纳米管复合纤维的热处理方法。
本发明PBO/单壁碳纳米管复合纤维的热处理方法如下：将PBO/单壁碳纳米管复合纤维放入直径为10mm～20mm、长度为0.6m～1.2m的耐高温陶瓷管中，然后在氮气保护、缠绕于耐高温陶瓷管外部电阻丝的功率为500W～2000W、变压器电压小于220V、耐高温陶瓷管内部温度为室温至800℃、PBO/单壁碳纳米管复合纤维张力小于10g/d的条件下对PBO/单壁碳纳米管复合纤维处理1s～10min。
本发明耐高温陶瓷管外部用石棉保温层保温；用热电偶控制耐高温陶瓷管内部的温度。
由图1可以看出(200)晶面的衍射峰强度越来越尖锐，说明PBO/单壁碳纳米管复合纤维经热处理后形成了完整的微晶结构。经测试未处理的PBO/单壁碳纳米管复合纤维的拉伸强度为3.2GPa，经300℃热处理后拉伸强度为3.7GPa，经500℃热处理后拉伸强度为4.6GPa，可见，经热处理后其力学性能有较大提高。
【附图说明】
图1是PBO纤维和经过热处理的PBO/单壁碳纳米管复合纤维的XRD衍射图谱，a为PBO纤维的XRD曲线，b为经过500℃热处理后的PBO/单壁碳纳米管复合纤维的XRD曲线，c为经过300℃热处理后的PBO/单壁碳纳米管复合纤维的XRD曲线。
【具体实施方式】
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中PBO/单壁碳纳米管复合纤维的热处理方法如下：将PBO/单壁碳纳米管复合纤维放入直径为10mm～20mm、长度为0.6m～1.2m的耐高温陶瓷管中，然后在氮气保护、缠绕于耐高温陶瓷管外部电阻丝的功率为500W～2000W、变压器电压小于220V、耐高温陶瓷管内部温度为室温至800℃、PBO/单壁碳纳米管复合纤维张力小于10g/d的条件下对PBO/单壁碳纳米管复合纤维处理1s～10min。
本实施方式中的PBO/单壁碳纳米管复合纤维的制备方法如下：一、将PBO/单壁碳纳米管聚合物加热到160℃～200℃，然后在真空度为-0.08～-0.1MPa的条件下真空脱泡12h～72h，脱泡后在N2保护的条件下，采取电阻丝加热或高温热油加热的方式使脱泡后PBO/单壁碳纳米管聚合物的温度为160℃～200℃，然后沉降12h～72h后制得纺丝液；二、在温度为160℃～200℃、纺丝压力小于30MPa的条件下，将纺丝液经过5～10层细度为80～800目的滤网过滤，再经过孔径为0.15mm～0.8mm的喷丝板得到直径为0.15mm～0.8mm的丝；三、在N2保护、空气隙长度为10cm～50cm、拉伸比为1～150的条件下将步骤二制得的丝拉伸，然后经过一组凝固浴，在温度为40℃～100℃的条件下再经过水洗浴，即得PBO/单壁碳纳米管复合纤维；其中步骤三中的一组凝固浴由磷酸水溶液构成，浓度依次降低，温度依次升高，起始浓度为60mass％，截止浓度为0.1mass％，起始温度为-20℃，截止温度为40℃；步骤三中的水洗浴由NaHCO3或KHCO3溶于去离子水后得到的浓度小于10mass％的水溶液构成。
本实施方式中PBO/单壁碳纳米管聚合物的制备方法如下：一、将用于PBO聚合的含有单壁碳纳米管单体复合物(申请日：2008年5月21日，申请号；200810064550.4，专利名称为《用于PBO聚合的含有单壁碳纳米管单体复合物的制备方法》)与多聚磷酸按照1∶3.2～4.5的质量比混合，然后在温度为1℃～80℃、N2保护的条件下搅拌12h～72h得到混合溶液；二、将温度为100～120℃的P2O5加入到步骤一制备的混合溶液中，然后在N2气保护的条件下升温至140℃～160℃反应2h～10h；三、步骤二得到的反应产物用双螺杆挤出机反复挤出1～10次，即得PBO/单壁碳纳米管聚合物；其中步骤一多聚磷酸中P2O5的含量为82mass％～84.5mass％；步骤二中的P2O5在24h的内加入到步骤一制备的混合溶液中；步骤二中P2O5与步骤一制备的混合溶液的质量比为1.2～1.5∶1；步骤三中双螺杆挤出机螺杆各区段的起始温度为180℃、截止温度为210℃，反应物料在螺杆中停留时间为5min～60min。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是耐高温陶瓷管外部用石棉保温层保温。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是用热电偶控制耐高温陶瓷管内部的温度。其它与具体实施方式一相同。