CN102605476A

CN102605476A - 一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法

Info

Publication number: CN102605476A
Application number: CN2012100587647A
Authority: CN
Inventors: 徐洪耀; 巨安奇; 光善仪
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，包括：(1)以二甲基亚砜为溶剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在50～70℃下丙烯腈与β-衣康酸铵酯共聚合反应10～30小时，经过过滤，脱除残留单体，脱泡制得纺丝原液；(2)将上述纺丝原液依次经过干喷湿法纺丝、拉伸、上油、干燥致密化、热蒸汽牵伸、热定型制得碳纤维原丝。本发明减少了共聚单体的用量，同时提高了聚丙烯腈高分子的结构规整性，使得制备的碳纤维原丝结构均匀，纤度小，强度高，适用于制备高性能碳纤维。

Description

一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维原丝的制备领域，特别涉及一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性，是一种高性能的增强材料，已在航空航天、国防科技、建筑、体育用品和医疗器械等领域得到广泛的应用。

聚丙烯腈基碳纤维由于生产工艺简单、综合性能优良，一直以来都是碳纤维研究和工业化的热点。聚丙烯腈基碳纤维的研发和生产起步于20世纪60年代，经过70～80年代的稳定，90年代得到飞速发展，到21世纪初其制备技术和工艺已基本成熟。现在已发展成为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大种类。尽管国外PAN基碳纤维的制备技术和产品性能已经达到一定的程度，但是均对我国严加封锁。我国研制碳纤维已有40多年历史，至今碳纤维原丝的质量仍没有真正过关，聚丙烯腈原丝成为制约我国碳纤维工业发展的“瓶颈”。优质的聚丙烯腈原丝是制备高性能聚丙烯腈碳纤维的基础。丙烯腈均聚物是高结晶高聚物，溶解性差，纺丝困难；预氧化时，放热集中，过程不易控制，一般通过加入第二单体或第三单体共聚解决这一问题。通常加入的共聚单体有：丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸、衣康酸铵、衣康酸酰胺等。目前，国内生产碳纤维用聚丙烯腈原丝大都采用一步法，即将丙烯腈及第二、第三共聚单体加入到溶剂二甲基亚砜、硝酸、硫氰酸钠、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺等溶剂中，在聚合釜中进行连续、半连续或间隙聚合。聚合后的纺丝原液精制后经喷丝板挤出到凝固浴中成型，再经过一系列的后处理得到碳纤维原丝。目前，以二甲基亚砜为溶剂生产的原丝产量最大，经过碳化后制得的碳纤维性能最稳定。中国专利CN101724922A、CN1167838C、CN101781809采用一步法以二甲基亚砜为溶剂，经聚合、纺丝、水洗、牵伸、上油、干燥致密化、热空气定型制备了聚丙烯基碳纤维原丝。中国专利CN101805936A公开了一种以不饱和羧酸为第二共聚单体、不饱和酯为第三共聚单体，混合溶剂法制备高分子、窄分布的丙烯腈共聚物纺丝液的制备方法；中国专利CN10161694A公开了一种以丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯为第二共聚单体，衣康酸、衣康酸铵为第三共聚单体，水相悬浮法制备聚丙烯腈基碳纤维原丝用聚合物的方法；中国专利CN12147838C公开了一种以丙烯酸甲酯为第二共聚单体，衣康酸为第三共聚单体，硫氰酸钠溶液聚合制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的方法；中国专利CN1167838C公开了一种以衣康酸为第二共聚单体，甲基丙烯酸甲酯为第三共聚单体，二甲基亚砜溶液聚合制备聚丙烯腈基高性能碳纤维原丝的方法。专利中公开的三元共聚合制备碳纤维原丝用聚丙烯腈高分子，存在以下缺点：共聚单体的用量相对较多，且制备的聚丙烯腈高分子的结构规整性难以控制。

作为纺丝方法，通常采用干湿法纺丝技术。干湿法纺丝技术是纺丝液从喷丝口挤出后先通过一段空气段，然后再进入凝固浴中，发生双扩散、相分离，形成初生丝条。由于空气段的存在，干湿法纺丝技术可对高粘度纺丝液进行纺丝，同时可以实现高速纺丝、较易得到高强度、高取向、表面光滑、孔洞小、直径小、皮芯结构少的原丝，是一种较好的制备高性能聚丙烯腈原丝的纺丝技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，用该方法制备的聚丙烯腈基碳纤维原丝结构均匀，纤度小，强度高，适用于制备高性能碳纤维。

本发明的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，包括：

(1)以二甲基亚砜为溶剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在50～70℃下丙烯腈与β-衣康酸铵酯共聚合反应10～30小时，经过过滤，脱除残留单体，脱泡制得纺丝原液；其中，丙烯腈与β-衣康酸铵酯的质量比为95～99∶1～5，偶氮二异丁腈占丙烯腈与β-衣康酸铵酯总质量的0.1～1.2％，丙烯腈与β-衣康酸铵酯的总浓度为18～28wt％；

(2)将上述纺丝原液依次经过干喷湿法纺丝、拉伸、上油、干燥致密化、热蒸汽牵伸、热定型制得碳纤维原丝。

所述步骤(1)中的β-衣康酸铵酯为β-衣康酸铵甲酯、β-衣康酸铵乙酯、β-衣康酸铵丙酯或β-衣康酸铵丁酯；其结构如下：

所述步骤(1)中的过滤为纺丝原液通过0.5～2μm的过滤材料进行过滤。

所述步骤(2)中的干喷湿法纺丝具体工艺为：空气段的距离为5～15cm，空气段的温度为10～30℃，相对湿度为50～75％；干喷湿法纺丝中凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为45～70wt％，凝固浴的温度为0～15℃，凝固时间为0.5～2min。

所述步骤(2)中的拉伸为多次拉伸，分别是60～80℃的一级热水牵伸1～2倍，85～100℃的二级热水牵伸2～4倍，以及120～180℃热蒸汽牵伸2～3倍。

所述步骤(2)中的干燥致密化的温度为120～160℃，时间为0.5～2min。

所述步骤(2)中的热定型为热空气120～160℃，时间为0.5～2min，负牵伸2～4％。

所述步骤(2)中制得的碳纤维原丝纤度为0.92～1.42dtex，强度为7.3～9.4cN/dtex。

本发明采用双功能团β-衣康酸铵酯为共聚单体(同时含有酯基和羧酸铵基)，以二元共聚合和代替三元共聚合制备碳纤维原丝用聚丙烯腈高分子，减少了共聚单体的用量，同时提高了聚丙烯腈高分子的结构规整性，制得的碳纤维原丝结构均匀，纤度小，强度高。

本发明通过一步法二甲基亚砜溶液聚合制备聚丙烯腈纺丝原液，经干喷湿法纺丝、拉伸、上油、干燥致密化、热蒸汽牵伸、热定型制得碳纤维原丝。

有益效果

(1)本发明采用双功能团β-衣康酸铵酯为共聚单体，以二元共聚合和代替三元共聚合制备碳纤维原丝用聚丙烯腈高分子，提高了聚丙烯腈高分子的结构规整性，制备的碳纤维原丝结构均匀，纤度小，强度高；

(2)本发明以二元共聚合和代替三元共聚合制备碳纤维原丝用聚丙烯腈高分子，减少了共聚单体的用量，有利于提高最终碳纤维的力学性能；

(3)本发明采用的引发剂是不含金属离子的偶氮二异丁腈，得到的聚丙烯腈的纯度较高，不需要除去杂质，降低了生产成本；

(4)本发明采用干喷湿法纺丝工艺，得到的聚丙烯腈基碳纤维原丝结构均匀，皮芯结构少，强度高。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)丙烯腈、β-衣康酸铵甲酯按质量比99∶1混合均匀后加入反应器(混合单体总浓度为25％)，然后加入二甲基亚砜，最后加入偶氮二异丁腈(占混合单体总质量的0.4％)，在60℃下反应24小时，制备的聚丙烯腈分子量为1.8×10⁵g/mol，分子量分布为2.64。将上述的聚合物溶液经过1μm的过滤材料过滤，脱单，脱泡制得纺丝原液。

(2)将步骤(1)得到纺丝原液经过干喷湿法纺丝，空气段的距离为10cm，空气段的温度为10℃，相对湿度为65％，凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为60wt％，凝固浴的温度为0℃，凝固时间为1min；一级热水(75℃)牵伸1.5倍、二级热水(95℃)牵伸2.5倍；上油；150℃干燥致密化1min；热蒸汽(140℃)牵伸2倍；150℃热定型0.5min，负牵伸2％，制得高性能碳纤维原丝纤度为1.24dtex，强度为7.81cN/dtex。

实施例2

(1)丙烯腈、β-衣康酸铵甲酯按质量比99∶1混合均匀后加入反应器(混合单体总浓度为25％)，然后加入二甲基亚砜，最后加入偶氮二异丁腈(占混合单体总质量的0.2％)，在60℃下反应24小时，制备的聚丙烯腈分子量为2.1×10⁵g/mol，分子量分布为2.78。将上述的聚合物溶液经过0.5μm的过滤材料过滤，脱单，脱泡制得纺丝原液。

(2)将步骤(1)得到纺丝原液经过干喷湿法纺丝，空气段的距离为5cm，空气段的温度为30℃，相对湿度为50％，凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为45wt％，凝固浴的温度为15℃，凝固时间为0.5min；一级热水(60℃)牵伸1倍、二级热水(85℃)牵伸2倍；上油；120℃干燥致密化0.5min；热蒸汽(120℃)牵伸2倍；150℃热定型2min，负牵伸4％，制得高性能碳纤维原丝纤度为1.24dtex，强度为8.52cN/dtex。

实施例3

(1)丙烯腈、β-衣康酸铵甲酯按质量比98∶2混合均匀后加入反应器(混合单体总浓度为25％)，然后加入二甲基亚砜，最后加入偶氮二异丁腈(占混合单体总质量的0.2％)，在55℃下反应24小时，制备的聚丙烯腈分子量为1.7×10⁵g/mol，分子量分布为2.84。将上述的聚合物溶液经过2μm的过滤材料过滤，脱单，脱泡制得纺丝原液。

(2)将步骤(1)得到纺丝原液经过干喷湿法纺丝，空气段的距离为15cm，空气段的温度为20℃，相对湿度为75％，凝固浴为二甲基亚砜和水，其中中二甲基亚砜的含量为60wt％，凝固浴的温度为0℃，凝固时间为1min；一级热水(80℃)牵伸2倍、二级热水(100℃)牵伸4倍；上油；160℃干燥致密化2min；蒸汽(180℃)牵伸3倍；150℃热定型1min，负牵伸3％，制得高性能碳纤维原丝纤度为1.31dtex，强度为7.42cN/dtex。

实施例4

(1)丙烯腈、β-衣康酸铵乙酯按质量比99∶1混合均匀后加入反应器(混合单体总浓度为25％)，然后加入二甲基亚砜，最后加入偶氮二异丁腈(占混合单体总质量的0.2％)，在60℃下反应24小时，制备的聚丙烯腈分子量为2.0×10⁵g/mol，分子量分布为2.76。将上述的聚合物溶液经过1μm的过滤材料过滤，脱单，脱泡制得纺丝原液；

(2)将步骤(1)得到纺丝原液经过干喷湿法纺丝，空气段的距离为8cm，空气段的温度为25℃，相对湿度为60％，凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为50wt％，凝固浴的温度为7℃，凝固时间为1.5min；一级热水(75℃)牵伸2倍、二级热水(90℃)牵伸2.5倍；上油；140℃干燥致密化2min；热蒸汽(140℃)牵伸3倍；130℃热定型1min，负牵伸3％，制得高性能碳纤维原丝纤度为1.21dtex，强度为8.64cN/dtex。

实施例5

(1)丙烯腈、β-衣康酸铵丙酯按质量比97∶3混合均匀后加入反应器(混合单体总浓度为25％)，然后加入二甲基亚砜，最后加入偶氮二异丁腈(占混合单体总质量的0.2％)，在55℃下反应24小时，制备的聚丙烯腈分子量为1.8×10⁵g/mol，分子量分布为2.82。将上述的聚合物溶液经过1μm的过滤材料过滤，脱单，脱泡制得纺丝原液。

(2)将步骤(1)得到纺丝原液经过干喷湿法纺丝，空气段的距离为10cm，空气段的温度为10℃，相对湿度为65％，凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为60wt％，凝固浴的温度为0℃，凝固时间为1min；一级热水(75℃)牵伸1.5倍、二级热水(95℃)牵伸3倍；上油；150℃干燥致密化1min；热蒸汽(140℃)牵伸2倍；150℃热定型1min，负牵伸3％，制得高性能碳纤维原丝纤度为1.27dtex，强度为8.32cN/dtex。

Claims

1.一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的β-衣康酸铵酯为β-衣康酸铵甲酯、β-衣康酸铵乙酯、β-衣康酸铵丙酯或β-衣康酸铵丁酯；其结构如下：

3.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的过滤为纺丝原液通过0.5～2μm的过滤材料进行过滤。

4.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的干喷湿法纺丝具体工艺为：空气段的距离为5～15cm，空气段的温度为10～30℃，相对湿度为50～75％；干喷湿法纺丝中凝固浴为二甲基亚砜和水，其中二甲基亚砜的含量为45～70wt％，凝固浴的温度为0～15℃，凝固时间为0.5～2min。

5.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的拉伸为多次拉伸，分别是60～80℃的一级热水牵伸1～2倍，85～100℃的二级热水牵伸2～4倍，以及120～180℃热蒸汽牵伸2～3倍。

6.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的干燥致密化的温度为120～160℃，时间为0.5～2min。

7.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的热定型为热空气120～160℃，时间为0.5～2min，负牵伸2～4％。

8.根据权利要求1所述的一种二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中制得的碳纤维原丝纤度为0.92～1.42dtex，强度为7.3～9.4cN/dtex。