挤出单根聚合物纤维的方法.doc

题目：挤出单根聚合物纤维的方法摘要：公开一种制备抗压强度增强的芳杂环的聚合物纤维的方法和设备，与此同时公开其传统的制备方法，即在他们通过喷丝头的孔洞时进行拉伸且满扭，这样，他们的内部纤维和微纤维得到卷绕。在纤维固化之前其扭曲性能即可展现。经卷绕的纤维和微纤维能够对临近纤维/微纤维提供支持力，使其能够抵抗压缩应力。政府权力要求（没翻译）发明背景该发明涉及制备一般意义上的高模量/高强度的纤维，该纤维由有机聚合物制备而成，更确切的说，这是一种制备高模量且兼具抗压强度加强了的纤维的方法。高模量，或者说是高性能，聚合物纤维越来越被应用于制备高性能的复合材料。他们具有高的强度-重量比，使其越来越有应用价值，尤其是在航空航天领域。可惜的是，即便他们具有很高的拉伸模量和拉伸强度，该高性能纤维在轴向压缩上的性能不佳。这样就限制了其在抗压复合材料上的应用。芳杂环聚合物纤维是由小纤维构成，即纤丝和微纤丝。一种限制聚合物纤维的抗压强度的因素被认为是压缩时纤丝状的和微纤维状的弯曲。然而，任何减少纤维状/微纤维状的弯曲都会造成其纤维制品、复合材料抗压强度上的提高。在现有技术中提到碳纤维的结构模型，其在压缩时拥有不错的物理性能，显示了比有机纤维弱的微纤维结构的高度有序。在高轴向应力压缩加强的碳纤维的微纤维结构中出现了卷绕，因此相临近的微纤维可以相互支撑，由此推测，纤维减少弯曲和有助于在压力下得到令人满意的物理性能。于是，可以看出，我们需要一种方法，该方法可以相似地卷绕有机纤维的纤丝和微纤丝，以此可能提高其在压缩时的物理性能。因此，该专利的主要目的在于，提供一种制备高性能的聚合物纤维，该纤维的微纤维形态是卷曲的。另外一个主要目的在于，制备高性能聚合物纤维，该纤维的轴向抗压强度得到增强。该发明的特点在于，它是一种直接且对现有制备高性能纤维方法简单适应的方法。该发明的优点在于，以其相关的优点，该有机聚合物纤维在新型高性能复合材料上的应用变得可能，而之前的方法因其抗压强度不够使得应用不现实。本发明的这些及其他目的，特点和优点，在下述内容和示意图中将会更加清晰。本发明的综述本发明提供了一种显著提高高模量聚合物纤维的抗压强度的制备方法。该发明的独特发现在于，单根聚合物纤维的内部纤丝/微纤丝的弯曲可通过满扭单根纤维实现，当其在固化成型前的拉伸或成型时。像这样处理过的纤维在轴向抗压强度上得到了巨大提升。因此，本发明是一种制备聚合物纤维的直接方法，包含了纺丝液供应、拉丝、在其出丝时的满扭、固化和立刻弯曲涂料以形成纤维。纺丝液的扭曲步骤可能发生在气体甬道中，或拉伸固化步骤中，或在水浴中。本发明也指出了一种制备抗压强度提升的聚合物纤维的设备，包含通过喷丝孔挤出纺丝液的方法，挤出纺丝液并拉伸为纤维的方法，对纤维固化的方法和弯曲固化前的纤维的方法。对拉伸出的纤维进行扭曲可以通过手工方法。甬道可用来挤出纺丝液且在内部进行纤维的弯曲。甬道置于固化之前。固化的方法包含有水浴。示意图简介本发明在结合文字和示意图阅读后会更加清晰明了。图1 是干喷湿纺有机聚合物纤维的现有设备示意图。图2a 是现有技术制备高模量、低抗压强度碳纤维的高度取向微纤丝的示意图。图2b 是现有技术制备的高模量且高抗压强度的碳纤维的低取向微纤丝示意图。图3 是依据传统技术利用PBO纺丝液制备的未弯曲的纤维的显微镜照片。图4 是依据本发明提供的方法制备合成有机聚合物纤维，干喷湿纺仪器的示意图。图5 是依据本发明技术，利用PBO纺丝液制备的弯曲纤维的显微镜照片。图6a 是轻微扭曲的PBO纤维的电镜照片，该纤维制备方法参考本发明，显示了其反冲压缩实验失败。图6b 是另一种轻微扭曲的PBO纤维的电镜照片，该纤维制备方法参考本发明，显示了其反冲压缩实验失败。图6c 是高扭曲的PBO纤维的电镜照片，该纤维制备方法参考本发明，显示了其反冲压缩实验成功。详细说明如图1，介绍了一种现有干喷湿纺制备有机聚合物纤维的技术的示意图。“纺丝”这个词语来自于传统的利用结合纤维状物质的单根纤维成丝的原理，例如将羊毛和棉纺织成线或纱。可惜的是，该词语用于合成有机聚合物纤维时有所误解，因为其并非像传统“纺丝”，纤维并非再起成型时弯曲。一旦成型，成组的单根纤维往往缠绕在一起，更接近于传统“纺丝”的成纱线或落纤过程。图1所示设备的典型现有技术中，合成的聚合物在强酸中溶解并形成纺丝液10。纺丝液10一般情况下也含有其他助剂。纺丝液一般经过加压容器12的加压，12称之为炮（bomb），然后通过挤出孔14挤出，称为喷丝头。喷丝头14是单孔的，或挤出孔16硬模。喷丝头一般是多孔的，有时也成为喷丝头组件。当纺丝液10从喷丝头14中出来后，生成的纤维18被拉伸，或伸展，以比纺丝液10喂料进入喷丝头14的速度更快的速度。该过程拉伸和成线，或取向，纤维18的模量形成且它应该是最终纤维的物理性能的原因。拉伸过程发生在气体甬道20中。在这个过程中，部分溶剂蒸发且一部分开始固化。经过气体甬道后，纤维18经过一个液体凝固浴22。一般为水，也就是大部分溶剂被除去且长丝完成固化的地方。一般认为纤维18在这个过程中其最终全部的内部结构形成。如上述权力所述，“固化”是指发生在凝固浴中的凝固过程，或者其他浴，而不是在气体甬道中的初凝固。“纤丝”，“微纤丝”“纤维状的”和“微纤维状的”，除非特别指明，本文中可相互交替使用。之后所描述的聚合物是由扩增链聚合物这类芳杂环构成，本发明包含应用于任何聚合物的干喷湿纺过程或类似的过程。离开凝固浴22后，纤维18经过洗涤浴24中，在这里任何残余的溶剂都被除去。最后，纤维18拉伸入热处理设备26中。纤维18在热处理时再次被拉伸。这似乎是纤维18更好的形成结构取向和形成最终物理性能的地方。图2a 是已有工艺制备的碳纤维，具有高模量的碳纤维结构照片。图2b是高模量碳纤维在一定纤维缠绕下的示意图。图2a来自于对高密度碳纤维的X射线散射，但显示出了低抗压强度。图2b来源于低密度碳纤维的电子显微镜图像及X射线散射图像，该纤维显示出了高得多的抗压强度。图2b中的微纤维的卷曲应该是因其临近微纤维相互支撑的原因，由此扛弯曲和拥有更高的抗压缩性能。图3 是由PBO纺丝液（PBZ单体在PPA中的溶液）依据传统方法制备的单根纤维30的显微镜照片。检查发现，良好取向的单纤维和微纤维在纤维30中。图4是依据本发明的技术，干喷湿纺法制备合成有机聚合纤维的仪器示意图。将图1中的干喷湿纺仪器改进，扩大甬道距离32，及增加了34方法用于对纤维36满扭，这个过程是在从单孔喷丝头38挤出和进入凝固浴40前。满扭方法至少扭曲360，发生于任何可能的单根纤维的后扭，以制备落纤。（不会）图5是单根PBO纤维42的光学显微镜图像，该纤维是在通过气体甬道32，进入凝固浴40之前通过满扭34得到的，对纤维的弯曲得到的屈曲纤维和微纤维，因此他们可以相互支持。图6a是经过轻微弯曲的PBO纤维44的电镜照片，显示出了对反冲压缩实验失败。图6b是另一种方法轻微弯曲的PBO纤维46的电镜照片，显示出了对反冲压缩实验失败。检查失败的纤维发现，纤维和微纤维的缠绕分离。相反的是，图6c所示的电镜照片显示出了高扭曲PBO纤维48可以成功承受相同的反冲压缩实验。这些测试显示，纤维必须要成型好且扭曲好才能有效增加其抗压强度。纤维42,44,46和48是通过手工扭曲纤维得到的，该过程发生于他们从喷丝孔中挤出手工拉伸时。该手工拉伸限制了纤维可能被拉伸的速度以及会对纤维的其他性能造成影响。高性能的纤维是通过更加自动化的过程制备的，即能够得到更加快速的拉伸速率。通过哪些现有发明技术，我们可以发现，该更加自动化的制备高性能聚合物纤维的方法是兼具直接和连续性的，且纤维含有弯曲的纤丝/微纤丝。此次公开的制备具有高抗压强度的芳杂环聚合物纤维，成功显示了机械上可制备纤维，在其成型时、固化之前，得到新的内部结构且用于增强其物理性能。尽管本公开的方法是专业的，但它的技术可以应用于其他方面，即在纤维成型时，通过物理修改他们的内部结构，使得最终结构成分得到提升。通过发明的技术领域，我们发现，单根纤维的弯曲既可以通过从单孔喷丝头挤出的丝进行弯曲得到，也可通过弯曲仪器的喷丝头或其他部分得到。纺丝仪器使用多孔喷丝头可能会供给离开喷丝头的单根纤维的弯曲，或者供给喷丝头每个孔的环境的弯曲。对可能发生的其他修改，用于本发明的领域，在索赔的范围之内。然而