CN103497345A - 一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，包括：（1）将超高分子量聚丙烯腈固体颗粒粉碎后，过50-300目筛，得到超高分子量聚丙烯腈粉末；（2）在200-1000转/分的机械搅拌下将上述超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢加入到0-25℃的溶剂中，加入完毕后，在200-1000转/分的机械搅拌下加热升温至60-120℃，保持6-12小时，得到超高分子量聚丙烯腈溶液，最后过滤，即可。本发明的溶解温度低，节省能耗，降低生产成本；大大缩短溶胀时间，使溶解快速完成；溶解操作方便，设备简单，工程上容易实施。
Description
技术领域
本发明属于高性能碳纤维原丝的制备领域，特别涉及一种超高分子量聚丙烯腈（UHMW-PAN）的快速溶解方法。
背景技术
碳纤维（Carbon Fiber）具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和比重小等一系列优异性能，属于典型的高性能纤维。正是因为碳纤维所拥有的突出性能，使其在飞机、导弹、油田装备、纺织机械、防腐化工设备、汽车部件、精密仪器、防静电制品、建筑材料以及运动器材、娱乐用品等众多领域及产品中得到广泛应用。用于制备高性能碳纤维的PAN纤维与一般的纺织用PAN纤维相比，需要在制备过程中稳定性好，在形成碳纤维的过程中热稳定性好。这就需要有高性能的纺丝液相对应。
分子量高而且分子量分布窄的PAN纺丝液一直是研究重点。由于超高分子量聚丙烯腈的加入，可以使纺丝液的拉伸粘度提高，可纺性和牵伸性能大大改善，无论采用湿法纺丝、干/湿法纺或干法纺丝，都能减少连续生产中的断丝现象，提高生产率。另一方面，聚丙烯腈的分子量愈大，得到的聚丙烯腈纤维的力学强度也愈高，性能更优良。
目前，国际上对高强高模聚丙烯腈纤维的研究主要集中在纤维的纺丝过程，但在实践中发现，与重均分子量约为7万的聚丙烯腈或其共聚物（通常腈纶的原料）相比较，由于分子量高，按常规的溶解方法无法制得均匀的聚合物溶液，因此制备均匀的超高分子量聚合物浆液成为纤维整个制造过程中一个非常重要的环节。目前对聚丙烯腈特别是超高分子量聚丙烯腈溶解过程的研究鲜有报道，张斌（东华大学学报，2002，28（1）：111-114）研究了超高分子量聚丙烯腈在硫氰酸钠水溶液中的溶解过程，采取分段升温的方式进行溶解，最终得到了固含量为5%的聚丙烯腈纺丝液，但是这种溶胀溶解技术往往耗时长久，容易造成不稳定因素发生，使溶解过程难于控制。日本三菱公司（特开2008-214816）研究了分子量在100万-300万之间的聚丙烯腈溶解过程，这种方法同样存在耗时长久问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，该方法操作简单，能够快速地得到溶解均匀的超高分子量聚丙烯腈纺丝液。
本发明的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，包括：
（1）将超高分子量聚丙烯腈固体颗粒粉碎后，过50-300目筛，得到超高分子量聚丙烯腈粉末；
（2）在200-1000转/分的机械搅拌下将上述超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢加入到0-25℃的溶剂中，加入完毕后，在200-1000转/分的机械搅拌下加热升温至60-120℃，保持6-12小时，得到超高分子量聚丙烯腈溶液，最后过滤，用滤网拦截可能的凝胶团块，然后溶液送往下一道工序使用或密封保存。
步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈是由水相沉淀聚合或水相悬浮聚合得到的，所述的超高分子量聚丙烯腈为丙烯腈均聚物或共聚物。
步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈的平均分子量在100-300万，分子量分布小于2。
步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈粉末的粒径为0.045-0.3mm。
步骤（2）中所述的溶剂可以是有机溶剂如二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMAC），也可以是无机溶剂硫氰酸钠（NaSCN）水溶液等。
步骤（2）所述的溶剂温度为0-20℃，机械搅拌的速率均为200-800转/分。
步骤（2）所述的加热升温至60-100℃，时间保持6-10小时。
本发明中的步骤（2）中超高分子量聚丙烯腈粉末保持分散状态加入。步骤（2）所述的溶剂温度要控制在0-25℃，最好在0-20℃，搅拌速率在200-1000转/分，最好在200-800转/分；加热升温至60-120℃，最好在60-100℃，时间保持6-12小时，最好是6-10小时。本发明的机械搅拌的搅拌装置可以是锚式、桨式、框式，也可以是螺带式等。最后得到的溶液用目测或丁达尔效应测试，发现没有凝胶团后出料，并用200目以上的不锈钢筛过滤。
本发明利用悬浮聚合或沉淀聚合得到的超高分子量聚丙烯腈粉末（Mw＞100万，Mw/Mη＜2）快速溶解的溶解方法。本发明通过控制调节溶解釜内溶剂温度，控制加料方式使得超高分子量聚丙烯腈粉末快速分散均匀地加入到溶解釜内。提高搅拌速度，使得釜内超高分子量聚丙烯腈粉末在溶剂中分散均匀，这样体系粘度不会太大，从而维持较高流速不会消耗过多的能量。通过本发明方法，我们能够快速地得到一种溶解均匀的超高分子量聚丙烯腈纺丝液。
有益效果
1、本发明的溶解温度低，节省能耗，降低生产成本；
2、大大缩短溶胀时间，使溶解快速完成；
3、溶解操作方便，设备简单，工程上容易实施。
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
在10L溶解釜中先加入7L溶剂DMSO，搅拌速度600-650转/分钟，控制温度18-20℃；将一定量的超高分子量聚丙烯腈粉末（Mw=157万，Mw/Mη=1.82）碾磨，200目过筛；
边搅拌，边将超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢地投入到溶解釜中；然后保持搅拌，缓慢升温至60℃后，持续6h；通过观察发现没有凝胶团后出料，经滤网拦截可能的凝胶团块，得到的料液含固量1%。
实施例2
在10L溶解釜中先加入7L溶剂DMSO，搅拌速度600-650转/分钟，控制温度18-20℃；将一定量的超高分子量聚丙烯腈粉末（Mw=157万，Mw/Mη=1.82）碾磨，200目过筛；
边搅拌，边将超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢地投入到溶解釜中；然后保持搅拌，缓慢升温至75℃后，持续7h；通过观察发现没有凝胶团后出料，经滤网拦截可能的凝胶团块，得到的料液含固量2%。
实施例3
在10L溶解釜中先加入5L溶剂DMSO，搅拌速度650-700转/分钟，控制温度18-20℃；将一定量的超高分子量聚丙烯腈粉末（Mw=298万，Mw/Mη=1.93）碾磨，200目过筛；
边搅拌，边将超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢地投入到溶解釜中；然后保持搅拌，缓慢升温至80℃后，持续10h；通过观察发现没有凝胶团后出料，经滤网拦截可能的凝胶团块，得到的料液含固量5%。
Claims (7)
1.一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，包括：
（1）将超高分子量聚丙烯腈固体颗粒粉碎后，过50-300目筛，得到超高分子量聚丙烯腈粉末；
（2）在200-1000转/分的机械搅拌下将上述超高分子量聚丙烯腈粉末缓慢加入到0-25℃的溶剂中，加入完毕后，在200-1000转/分的机械搅拌下加热升温至60-120℃，保持6-12小时，得到超高分子量聚丙烯腈溶液，最后过滤，即可。
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈是由水相沉淀聚合或水相悬浮聚合得到的，所述的超高分子量聚丙烯腈为丙烯腈均聚物或共聚物。
3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈的平均分子量在100-300万，分子量分布小于2。
4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（1）所述的超高分子量聚丙烯腈粉末的粒径为0.045-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（2）中所述的溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或硫氰酸钠水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（2）所述的溶剂温度为0-20℃，机械搅拌的速率均为200-800转/分。
7.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚丙烯腈的快速溶解方法，其特征在于：步骤（2）所述的加热升温至60-100℃，时间保持6-10小时。
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