CN101736442B - 一种丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法及其生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法及其生产设备。该制备方法是在管式反应器中进行聚合反应，该管式反应器，管式反应器的管腔内设有紊流板或立交盘，管腔外壁设有用于控制管腔温度的装置。本发明的制备方法采用管式反应器，由于管腔内设有紊流板或立交盘等构件，能很好地使中央和周边物料产生交叉流动，有效解决管内物料径向差异，改善流体输送质量并提供传热、传质和提高化学反应效率且流动阻力相对较低，从而提高聚合物的均匀性，并能实现连续化工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备技术。
背景技术
碳纤维属于高科技产品，是航天、航空等高技术领域不可缺少的结构材料和耐烧蚀材料，同时也是民用工业更新换代的新型材料，其应用范围已扩展到人类生活的各个领域。聚丙烯腈纤维已成为制备优质碳纤维应用最广泛的前驱体之一。事实表明，碳纤维的性能在很大程度上依赖于碳纤维原丝的性能，而纺丝原液的质量是制备优质原丝的前提和基础。影响纺丝原液质量的因素除了与工艺配方有关外，还与聚合设备有很大关系，因为不同的反应器直接影响到聚合过程中的传热传质的优劣并最终影响聚合物的均匀性。目前广泛使用的聚合反应器是釜式，所存在的缺点是由于传热阻力所造成的中央和周边物料温度不一致，而且多是间歇式聚合。
发明内容
本发明的目的是提供一种丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，重点解决物料反应均匀性的问题和实现连续化生产的目的。
本发明的另一个目的是提供上述制备方法的生产设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，在聚合反应设备中进行聚合反应，该聚合反应设备为管式反应器。该管式反应器的管腔内设有紊流板或立交盘，管腔外壁设有用于控制管腔温度的装置。所述用于控制管腔温度的装置优选夹套。
上述丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将第一单体、偶氮类引发剂、部分第二单体、部分第三单体、二甲基亚砜混合均匀倒入进料罐；第一单体为丙烯腈，第二单体为衣康酸，第三单体为丙烯酸酯或丙烯酰胺或其混合物；
(2)管腔内先通惰性气体排除空气后，加热夹套通40～80℃的热水，用计量泵将进料罐内的物料连续输送入管式反应器中，在温度40～80℃下进行聚合反应；
(3)在管式反应器中部设置单体进料口，用计量泵持续加入剩余第二单体和第三单体。
各组分的重量份数为：
二甲基亚砜 300～550
第一单体 90～100
第二单体 1～10
第三单体 1～10
偶氮类引发剂 0.3～1.5。
所述偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈，其用量占全部单体质量分数的0.3～1.5％。
在加料罐中加入的部分第二、三单体占第二、三单体总重量的20～80％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的制备方法采用管式反应器，由于管腔内设有紊流板或立交盘等构件，能很好地使中央和周边物料产生交叉流动，有效解决管内物料径向差异，改善流体输送质量并提供传热、传质和提高化学反应效率且流动阻力相对较低，从而提高聚合物的均匀性，并能实现连续化工业生产。
具体实施方式
实施例1：称取2000g二甲基亚砜倒入进料罐中，称取646.8g丙烯腈，3.3g偶氮二异丁腈，6.6g衣康酸，依次倒入进料罐中，搅拌溶解完全后，通氩气20min鼓泡排除溶液及罐中空气。管式反应器中通氩气20min以排除管道空气，同时夹套通50℃热水。在管式反应器中部加入加料罐倒入340g二甲基亚砜及6.6g衣康酸，搅拌使其完全溶解并通氩气排空。用计量泵输送聚合原液入管道中，使其流速为0.5cm/s，加料完毕后打开回路阀门使物料在管道中循环流动。物料温度升到反应温度后开启中部计量泵，使剩余溶液在4h内加料完毕。聚合12h后放料。其转化率为86.6％，粘均分子量为13.7万，分子量分布系数为2.67。
实施例2：称取2100g二甲基亚砜倒入进料罐中，称取582g丙烯腈，4.8g偶氮二异丁腈，6g衣康酸和6g丙烯酰胺，依次倒入进料罐中，搅拌溶解完全后，通氩气20min鼓泡排除溶液及罐中空气。管式反应器中通氩气20min以排除管道空气，同时夹套通55℃热水。在管式反应器中部加入加料罐倒入300g二甲基亚砜及3g衣康酸和3g丙烯酸甲酯，搅拌使其完全溶解并通氩气排空。用计量泵输送聚合原液入管道中，使其流速为0.4cm/s，加料完毕后打开回路阀门使物料在管道中循环流动。物料温度升到反应温度后开启中部计量泵，使剩余溶液在3h内加料完毕。聚合20h后放料。其转化率为92.7％，粘均分子量为12.3万，分子量分布系数为2.63。
实施例3：称取2100g二甲基亚砜倒入进料罐中，称取640.2g丙烯腈，4.62g偶氮二异丁腈，1.76g衣康酸和3.52g丙烯酰胺，依次倒入进料罐中，搅拌溶解完全后，通氩气20min鼓泡排除溶液及罐中空气。管式反应器中通氩气20min以排除管道空气，同时夹套通50℃热水。在管式反应器中部加入加料罐倒入240g二甲基亚砜及2.64g衣康酸和5.28g丙烯酰胺，搅拌使其完全溶解并通氩气排空。用计量泵输送聚合原液入管道中，使其流速为0.4cm/s，加料完毕后打开回路阀门使物料在管道中循环流动。物料温度升到反应温度后开启中部计量泵，使剩余溶液在4h内加料完毕。聚合8h后放料。其转化率为89.6％，粘均分子量为14.2万，分子量分布系数为2.45。
实施例4：称取2800g二甲基亚砜倒入进料罐中，称取940.8g丙烯腈，7.68g偶氮二异丁腈，8.96g衣康酸和4.48g丙烯酸甲酯，依次倒入进料罐中，搅拌溶解完全后，通氩气20min鼓泡排除溶液及罐中空气。管式反应器中通氩气20min以排除管道空气，同时夹套通55℃热水。在管式反应器中部加入加料罐倒入240g二甲基亚砜及3.84g衣康酸和1.92g丙烯酸甲酯，搅拌使其完全溶解并通氩气排空。用计量泵输送聚合原液入管道中，使其流速为0.4cm/s。物料温度升到反应温度后开启中部计量泵，使剩余溶液在4h内加料完毕。聚合10h后放料。其转化率为92.6％，重均分子量Mw为9.8万，分子量分布系数为2.21。
实施例5：称取2000g二甲基亚砜倒入进料罐中，称取698.4g丙烯腈，5.04g偶氮二异庚腈，6.48g衣康酸和6.48g丙烯酸甲酯，依次倒入进料罐中，搅拌溶解完全后，通氩气20min鼓泡排除溶液及罐中空气。管式反应器中通氩气20min以排除管道空气，同时夹套通50℃热水。在管式反应器中部加入加料罐倒入280g二甲基亚砜及4.32g衣康酸和4.32g丙烯酸甲酯，搅拌使其完全溶解并通氩气排空。用计量泵输送聚合原液入管道中，使其流速为0.6cm/s，加料完毕后打开回路阀门使物料在管道中循环流动。物料温度升到反应温度后开启中部计量泵，使剩余溶液在3h内加料完毕。聚合6h后放料。其转化率为98.1％，重均分子量Mw为12.8万，分子量分布系数为2.13。
Claims (2)
1.一种丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，其生产设备是管式反应器，管式反应器的管腔内设有紊流板或立交盘，管腔外壁设有用于控制管腔温度的夹套，包括如下步骤：
(1)将第一单体、偶氮类引发剂、部分第二单体、部分第三单体、二甲基亚砜混合均匀倒入进料罐；第一单体为丙烯腈，第二单体为衣康酸，第三单体为丙烯酸酯或丙烯酰胺或其混合物；
(2)管腔内先通惰性气体排除空气后，加热夹套通40～80℃的热水，用计量泵将进料罐内的物料连续输送入管式反应器中，在温度40～80℃下进行聚合反应；
(3)在管式反应器中部设置单体进料口，用计量泵持续加入剩余第二单体和第三单体；
所述组分的重量份数为：
在加料罐中加入的部分第二、三单体占第二、三单体总重量的20～80％。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈，其用量占全部单体质量分数的0.3～1.5％。
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