CN101280475A - 用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及属于新材料领域的化工材料，具体地说是一种用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂。原料组成以重量百分比计，季铵盐型阳离子表面活性剂3～10、聚氧乙烯－聚氧丙烯聚醚1～3、氨改性硅油2～8、环氧改性硅油2～8、聚醚改性硅油2～8、氟硅油10～20、月硅酸聚氧乙烯酯1～3、月桂醇聚氧乙烯醚1～3、聚氧乙烯氢化蓖麻油4～20，余量为高纯度去离子水，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。本发明用于碳纤维拉丝生产过程中，油剂在单丝表面均匀成膜，既可防止单丝之间粘连和并丝，也防止在生产过程中纤维表面与辊筒的摩擦与磨损，具有优异的平滑性、抗静电性、集束性和自乳化性。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域的化工材料，具体地说是一种用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂。
背景技术
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为用于先进复合材料的主要增强纤维，在航天航空和国防工业中是不可缺少的高新技术材料。由于高性能碳纤维在军事上的重要用途，近年来国外对我国进行技术封锁和产品禁运，同时市场对碳纤维的需求量大幅度增加，碳纤维价格昂贵，并且相关生产碳纤维的辅料价格也猛涨，近年我国才加大投入碳纤维及其辅料的研发力度。“十一五”期间，我国重点围绕两种高强PAN原丝和碳纤维关键技术等进行攻关，目标是为国防军工提供合适稳定的批量军用碳纤维。
PAN基碳纤维生产过程是将腈纶纤维经油剂乳液上油后，经干燥制成碳纤维原丝，之后在200～300℃的空气介质中预氧化，制成预氧化丝，然后在惰性气体中400～1500℃的温度炭化，制得碳纤维。
国内碳纤维的生产技术和产品性能远远落后于世界先进水平，除产品的强度低、模量低、成本高、加工工艺和设备落后等问题外，油剂产品的质量差也是一个重要因素。由于纤维与机械表面的摩擦，造成纤维在预氧化，、炭化工序中发粘、起毛和断丝等问题，这将导致碳纤维质量及性能下降。这些问题与油剂质量或使用不当都有很大关系。因此，高性能碳纤维在生产过程中，必须有与之相匹配的油剂和上油工艺来保护。
油剂是生产高性能原丝和碳纤维的重要辅剂，油剂的使用对PAN原丝的亲水性、集束性、分纤性及加工毛丝率有重要的影响。PAN原丝在碳化前必须能够阻燃、不融化、不粘连、不起毛、不断丝，这些性能与油剂的性能有重大关系。
目前国内的纺丝油剂主要是吐温-司盘类，主要缺点表现在丝的平滑性、亲水性和耐热性等方面较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，原料组成以重量百分比计，季铵盐型阳离子表面活性剂3～10、聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚1～3、氨改性硅油2～8、环氧改性硅油2～8、聚醚改性硅油2～8、氟硅油10～20、月硅酸聚氧乙烯酯1～3、月桂醇聚氧乙烯醚1～3、聚氧乙烯氢化蓖麻油4～20，余量为高纯度去离子水，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。
本发明还可通过如下措施来实现：
季铵盐型阳离子表面活性剂还可以为十二烷基磷酸酯单丁基乙醇胺盐或二甲基丙基硝酸铵。
聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚，环氧乙烷∶环氧丙烷＝60～80∶40～20，聚氧乙烯的平均碳数为10～15。
氨改性硅油，改性氨质量分数，以端封氨基-NH2计算为0.001～0.05。
环氧改性硅油，改性环氧质量分数以环氧基(-CHCH2O)计算为0.001～0.05，为1，2-环氧环己基化合物，或1，2-环氧环戊基化合物。
聚醚改性硅油，改性聚醚质量分数在0.2～0.7之间，聚醚的结构单元的聚合度在5～25之间。
氟硅表面活性剂还可以为聚氟乳液。
月硅酸聚氧乙烯酯，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅酸的碳数为12～16。
月桂醇聚氧乙烯醚，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅醇的碳数为12～16。
聚氧乙烯氢化蓖麻油，聚氧乙烯的平均碳数为10～40，HLB值为6～14之间。
本发明的有益效果是：用于碳纤维拉丝生产过程中，油剂在单丝表面均匀成膜，既可防止单丝之间粘连和并丝，也防止在生产过程中纤维表面与辊筒的摩擦与磨损，从而有效地避免纤维表面产生缺陷，油剂是提高原丝和碳纤维性能的有效技术措施之一，具有优异的平滑性、抗静电性、集束性和自乳化性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：
本实施例原料总重量为1000千克，其中，季铵盐型阳离子表面活性剂3千克、聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚1千克、氨改性硅油8千克、环氧改性硅油8千克、聚醚改性硅油8千克、氟硅油20千克、月硅酸聚氧乙烯酯1千克、月桂醇聚氧乙烯醚3千克、聚氧乙烯氢化蓖麻油20千克，余量为高纯度去离子水。
1、氨改性硅油
氨改性硅油考虑以下指标：
(1)改性氨质量分数。以端封氨基-NH2计算为0.001～0.05。不足0.001时，油剂的亲水性差；超过0.05时，耐热性下降。
(2)改性后的粘度为10-3～5×10-3m2/s(25℃)。
(3)改性后的Si/C比应在0.01％以上。
(4)改性后的热交联度(胶化率)在20％以上。
(5)改性后与均聚PAN膜的接触角＜40°。
2、环氧改性硅油
环氧改性硅油考虑以下性能指标：
(1)为提高与原丝的亲水性，改善采用脂环式环氧化合物，如1，2-环氧环己基化合物，或1，2-环氧环戊基化合物。
(2)改性环氧质量分数以环氧基(-CHCH2O)计算为0.001～0.05。不足0.001时，与原丝的亲水性差，上油不均匀，不易成膜；超过0.05，耐热性下降。
(3)改性后的粘度为2×10-3～10-2m2/s(25℃)。＜2×10-3m2/s时，耐热性差；＞10-2m2/s时，在水中分散性差。
(4)改性后的耐热残留质量分数在0.2以上，最好在0.3以上。
(5)改性后与PAN膜的接触角应＜20°(乳液)。
3、聚醚改性硅油
聚醚改性硅油考虑以下性能指标：
(1)聚醚的结构单元的聚合度在5～25之间，超过25时耐热性下降。
(2)改性聚醚质量分数在0.2～0.7之间，＜0.2时自乳化性差，＞0.7时耐热性下降。
(3)改性后的粘度在3×10-4～10-3m2/s之间。
(4)改性后具有优良的亲水性和自乳化性，与PAN膜的接触角在10°以下(25℃测量)。
季铵盐型阳离子表面活性剂还可以为十二烷基磷酸酯单丁基乙醇胺盐或二甲基丙基硝酸铵。高纯度去离子水，不含有重金属离子，可加入适量的乳化型有机硅消泡剂。
聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚，环氧乙烷∶环氧丙烷＝60～80∶40～20，聚氧乙烯的平均碳数为10～15。
氟硅表面活性剂还可以为聚氟乳液。
月硅酸聚氧乙烯酯，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅酸的碳数为12～16。
月桂醇聚氧乙烯醚，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅醇的碳数为12～16。
聚氧乙烯氢化蓖麻油，聚氧乙烯的平均碳数为10～40，HLB值为6～14之间的几种产品。
上述3种改性硅油按前述比例配制，再加入前述量的其他组分，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。
实施例2：
本实施例原料总重量为1000千克，其中，季铵盐型阳离子表面活性剂10千克、聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚3千克、氨改性硅油2千克、环氧改性硅油2千克、聚醚改性硅油2千克、氟硅油10千克、月硅酸聚氧乙烯酯3千克、月桂醇聚氧乙烯醚1千克、聚氧乙烯氢化蓖麻油4千克，余量为高纯度去离子水，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。
实施例3：
本实施例原料总重量为1000千克，其中，季铵盐型阳离子表面活性剂5千克、聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚2千克、氨改性硅油6千克、环氧改性硅油5千克、聚醚改性硅油3千克、氟硅油15千克、月硅酸聚氧乙烯酯2千克、月桂醇聚氧乙烯醚2千克、聚氧乙烯氢化蓖麻油10千克，余量为高纯度去离子水，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。
Claims (10)
1、一种用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征是：原料组成以重量百分比计，季铵盐型阳离子表面活性剂3～10、聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚1～3、氨改性硅油2～8、环氧改性硅油2～8、聚醚改性硅油2～8、氟硅油10～20、月硅酸聚氧乙烯酯1～3、月桂醇聚氧乙烯醚1～3、聚氧乙烯氢化蓖麻油4～20，余量为高纯度去离子水，在反应釜里搅拌3～5小时，温度控制在56～60℃范围内，即制得油剂成品。
2、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的季铵盐型阳离子表面活性剂还可以为十二烷基磷酸酯单丁基乙醇胺盐或二甲基丙基硝酸铵。
3、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的聚氧乙烯-聚氧丙烯聚醚，环氧乙烷∶环氧丙烷＝60～80∶40～20，聚氧乙烯的平均碳数为10～15。
4、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的氨改性硅油，改性氨质量分数，以端封氨基-NH2计算为0.001～0.05。
5、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的环氧改性硅油，改性环氧质量分数以环氧基(-CHCH2O)计算为0.001～0.05，为1，2-环氧环己基化合物，或1，2-环氧环戊基化合物。
6、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的聚醚改性硅油，改性聚醚质量分数在0.2～0.7之间，聚醚的结构单元的聚合度在5～25之间。
7、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的氟硅表面活性剂还可以为聚氟乳液。
8、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的月硅酸聚氧乙烯酯，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅酸的碳数为12～16。
9、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的月桂醇聚氧乙烯醚，聚氧乙烯平均碳数为15～18，月硅醇的碳数为12～16。
10、根据权利要求1所述的用于碳纤维拉丝生产过程中的润滑抗静电高性能油剂，其特征在于所说的聚氧乙烯氢化蓖麻油，聚氧乙烯的平均碳数为10～40，HLB值为6～14之间。
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