CN103806131A

CN103806131A - 用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂

Info

Publication number: CN103806131A
Application number: CN201210440069.7A
Authority: CN
Inventors: 张瑛; 杨欣; 赵晓娟; 黄伟
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明涉及用于制备高性能碳纤维的纺丝油剂，特别涉及用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂。所述的有机硅纺丝油剂是将以机械乳化方法制备的、质量浓度在20～40%范围的氨基聚硅氧烷乳液与以乳液聚合方法制备的、质量浓度在30～50%范围的聚二甲基硅氧烷乳液按照一定的比例混合均匀得到的。所述的氨基聚硅氧烷在20℃时的粘度为50～500厘泊，所述的氨基聚硅氧烷的氨基含量为0.15～0.65mmol/g。所述的聚二甲基硅氧烷在20℃时的粘度大于或等于50000厘泊。使用本发明的有机硅纺丝油剂制备的碳纤维毛丝少，强度高。

Description

用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂

技术领域

本发明涉及用于制备高性能碳纤维的纺丝油剂，特别涉及用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维由于机械强度高而被广泛应用于航空、航天、运动和休闲娱乐等领域。简单的说，聚丙烯腈基碳纤维的制备包括以下的过程：聚合、纺丝、预氧化、碳化。在预氧化过程中，由于温度比较高（250～300℃），聚丙烯腈原丝会发生融合、粘连、并丝现象。从而导致最终得到的碳纤维毛丝多，有并丝，影响碳纤维的强度和使用性能。因此，在制备碳纤维原丝的过程中，都要使用纺丝油剂。即通过上油工序，将纺丝油剂附着在聚丙烯腈原丝的表面。在预氧化过程中，油剂发挥防粘、隔离的作用，从而抑制原丝间的融合、粘连、并丝，使预氧化能够顺利进行，从而提高碳纤维的强度和品质。

由于有机硅高分子具有优良的防粘、隔离、润滑和耐高温性能，以有机硅为主要组分的有机硅油剂是高性能碳纤维制造专用油剂的主要选择。使用功能基改性聚二甲基硅氧烷为基础的纺丝油剂有很多国外专利报道，制造高性能碳纤维所用的纺丝油剂几乎全部以功能基改性聚硅氧烷为主要组分。目前国内外碳纤维制造厂家广泛使用的碳纤维油剂的主要成分一般都是氨基聚硅氧烷，它们以水乳液的形式被使用，包含适当的乳化剂和其它助剂。

氨基聚硅氧烷的结构，包括分子量、氨基含量等对最终油剂的性能有很重要的影响。在纺丝过程中，希望油剂能快速、均匀在原丝表面铺展。一般来说，分子量越低，氨基聚硅氧烷在原丝表面的铺展越快、越均匀。但是，氨基聚硅氧烷的分子量太低，在预氧化过程中的防粘、隔离效果降低。

使用高分子量的氨基聚硅氧烷可以有效提高纺丝油剂在原丝预氧化过程中的防粘、隔离效果。但是，一方面高分子量的氨基聚硅氧烷很难通过机械乳化方法得到稳定的乳液；另一方面，高分子的氨基聚硅氧烷容易在纺丝和预氧化过程中产生“粘辊”现象，即油剂粘附在油剂干燥辊或者导向辊上，影响纺丝和预氧化的顺利进行。

通过乳液聚合方法可以得到稳定的高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液。相比于高分子量的氨基聚硅氧烷，高分子量的聚二甲基硅氧烷较难交联。但是，如果采用单纯的高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液作为碳纤维纺丝油剂，在碳纤维制备过程中也容易产生“粘辊”现象。

本案发明人发现，如果将低分子量的氨基聚硅氧烷乳液与高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液混合，可以得到高性能的碳纤维纺丝油剂。该油剂用于制备碳纤维时，油剂能更快速、更均匀地渗透到纤维与纤维的间隙中，并均匀地分散到原丝的表面；同时油剂在原丝预氧化过程中有良好的防粘、隔离效果。因此原丝的分散性、集束性好，最终得到的碳纤维毛丝少，强度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能快速、均匀地铺展到聚丙烯腈原丝表面，在原丝预氧化过程中防粘、隔离效果优良的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂；使用本发明的有机硅纺丝油剂，制备的碳纤维毛丝少，强度高。

本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂，是将以机械乳化方法制备的、质量浓度在20～40%范围的氨基聚硅氧烷乳液与以乳液聚合方法制备的、质量浓度在30～50%范围的聚二甲基硅氧烷乳液按照一定的比例混合均匀得到的。

所述的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂中，以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，优选氨基聚硅氧烷乳液为100重量份，聚二甲基硅氧烷乳液为10～60重量份。

所述的氨基聚硅氧烷乳液中的氨基聚硅氧烷具有如下式（1）或式（2）所示的结构式：

上述氨基聚硅氧烷在20℃时的粘度为50～500厘泊。如果氨基聚硅氧烷的粘度大于500厘泊，将影响油剂在聚丙烯腈原丝表面铺展的均匀性；如果氨基聚硅氧烷的粘度小于50厘泊，将会导致氨基聚硅氧烷难以乳化，也会导致油剂的耐热性太差。上述氨基聚硅氧烷的氨基含量为0.15～0.65mmol/g，氨基含量太高或者太低都会导致纺丝油剂的性能变差。

乳化上述氨基聚硅氧烷所用的乳化剂没有特别限制，只要不含金属离子，并且能够通过机械乳化的方法得到稳定的氨基聚硅氧烷乳液即可。可以使用阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、或者非离子表面活性剂。也可以使用阳离子与非离子表面活性剂的组合，或者阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的组合。其中以非离子表面活性剂为最佳，可使用的非离子表面活性剂如选自脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物等所组成的组中的至少一种。

表面活性剂的用量一般为氨基聚硅氧烷用量的15～50%。如果用量超过50%，将会影响油剂的耐热性能和防粘隔离性能；如果用量低于15%，则难以得到稳定的氨基聚硅氧烷乳液。

所述的氨基聚硅氧烷乳液通过机械乳化的方法制备:在温度为40～80℃下，一边搅拌氨基聚硅氧烷与乳化剂的混合物，一边添加去离子水；在添加去离子水的过程中，体系的粘度先是逐渐增加，当去离子水添加到一定量的时候，粘度突然降低，表明体系发生了相反转，由油包水体系变成了蓝乳色的水包油乳液，水成为分散相；继续添加去离子水使乳液的质量浓度在20～40%范围，最终得到平均粒径约为50～500纳米的氨基聚硅氧烷乳液。

本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂所使用的聚二甲基硅氧烷乳液是通过乳液聚合的方法制备的：将有机硅单体（如八甲基环四硅氧烷或者有机硅混合环体等）、引发剂、表面活性剂、水，按照已知的有机硅乳液聚合方法制备（如:李光亮，<<有机硅高分子化学>>,科学出版社，北京，1999,P.68-75）制备，最终得到质量浓度为30～50%的聚二甲基硅氧烷乳液。所述的聚二甲基硅氧烷乳液中的聚二甲基硅氧烷具有如下式（3）所示的结构式，其中R为CH₃或者OH。

所述的聚二甲基硅氧烷在20℃时的粘度大于或等于50000厘泊。如果聚二甲基硅氧烷的粘度低于50000厘泊，纺丝油剂在原丝预氧化过程中的防粘、隔离效果不好。聚二甲基硅氧烷的最大粘度没有特别限制。

所述的聚二甲基硅氧烷一般占聚二甲基硅氧烷乳液的总有效质量的70%以上。只要能够得到稳定的聚二甲基硅氧烷乳液，所使用的引发剂、表面活性剂没有特别限制，但不能含有金属离子。合适的聚二甲基硅氧烷乳液的平均粒径为100～300纳米。

将上述氨基聚硅氧烷乳液和聚二甲基硅氧烷乳液按照一定的比例混合均匀，就能得到本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的的有机硅纺丝油剂。以氨基聚硅氧烷乳液为100重量份，所述聚二甲基硅氧烷乳液为10～60重量份。如果聚二甲基硅氧烷乳液低于10重量份，纺丝油剂在预氧化过程的防粘、隔离效果不好；而如果聚二甲基硅氧烷乳液高于60重量份，在原丝预氧化过程中容易产生粘辊现象。

根据实际需要，还可以在本发明的有机硅纺丝油剂中选择性添加抗静电剂、消泡剂、乳液防霉剂等组分中的一种或几种。

碳纤维原丝的制备过程，按照工艺次序，一般包括以下工序：聚合、喷丝、凝固、水洗、热水牵伸、上油、干燥、水蒸气牵伸、热定型、收丝。本发明的有机硅纺丝油剂是在上述的上油工艺中应用，一般采取浸轧方式进行。可以采取一次上油工艺，也可以采用二次上油工艺。油剂工作液的质量浓度为1%～5%，上油完成后，原丝在100～190℃干燥。原丝上油率（干燥后原丝表面附着的油剂质量与原丝质量比）为0.5～1.5%左右比较合适，如果上油率低于0.5%，在预氧化过程中会发生粘连、断丝现象；如果上油率高于1.5%，原丝分散性变差，导致预氧化不均匀，碳纤维性能降低。

本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂，适合于湿法纺丝的原丝制备工艺，也适合于干喷湿纺的原丝制备工艺。用本发明提供的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂制备的原丝分散性、集束性好，最终得到的碳纤维毛丝少，强度高。

具体实施方式

下面通过具体的实施例来具体说明本发明，但本发明不局限于以下的实施例。

实施例1

以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，将100重量份的具有前述结构式（1）所示的氨基聚硅氧烷（在20℃时的粘度500厘泊，氨基含量0.15mmol/g）和30重量份的非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚通过机械乳化方法得到质量浓度为40%（固含量）的氨基聚硅氧烷乳液，乳液平均粒径为250nm。

以八甲基环四硅氧烷的重量份为基准，将100重量份的八甲基环四硅氧烷、4重量份的引发剂十二烷基苯磺酸、16重量份的非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚和120重量份的去离子水进行乳液聚合，得到质量浓度为50%的聚二甲基硅氧烷乳液，乳液平均粒径为220nm。其中，聚二甲基硅氧烷在20℃时的粘度为100000厘泊。该聚二甲基硅氧烷的结构如前述结构式（3）所示（R=＝OH）。

以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，将100重量份的氨基聚硅氧烷乳液与10重量份的聚二甲基硅氧烷乳液进行混合均匀得到有机硅纺丝油剂。用去离子水稀释至质量含量为1.5%的有机硅纺丝油剂。

聚丙烯腈原丝的制备工序如下：聚合、喷丝（湿法纺丝）、凝固、水洗、热水牵伸、上油、干燥、水蒸气牵伸、热定型、收丝。聚丙烯腈原丝的k数（每束原丝包含的单根原丝的数目）为12K（12000）。其中的上油工艺为两道上油，第一道上油及第二道上油均为上述质量含量为1.5%的有机硅纺丝油剂，采用浸轧工艺。在上第一道油后，在温度为100～140℃下干燥，然后上第二道油，再在温度为120～150℃下干燥，原丝上油率为1.2%

上述得到聚丙烯腈原丝经过预氧化、碳化，最终得到碳纤维，碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况如表1所示。

实施例2

以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，将实施例1中的100重量份的氨基聚硅氧烷乳液与30重量份的聚二甲基硅氧烷乳液进行混合均匀得到有机硅纺丝油剂。用去离子水稀释至质量含量为3%的有机硅纺丝油剂。

聚丙烯腈原丝的制备工序如下：聚合、喷丝（干喷湿纺的纺丝工艺）、凝固、水洗、热水牵伸、上油、干燥、水蒸气牵伸、热定型、收丝。聚丙烯腈原丝的k数（每束原丝包含的单根原丝的数目）为12K（12000）。其中的上油工艺为一道上油，所述的油为上述质量含量为3%的有机硅纺丝油剂，采用浸轧工艺。在上第一道油后，在温度为120～150℃下干燥，原丝上油率为1.5%。

实施例3

以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，将100重量份的具有前述结构式（2）所示的氨基聚硅氧烷（在20℃时的粘度50厘泊，氨基含量0.65mmol/g）和20份表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚通过机械乳化方法得到质量浓度为20%（固含量）的氨基聚硅氧烷乳液，乳液平均粒径为300nm。

以八甲基环四硅氧烷的重量份为基准，将100重量份的八甲基环四硅氧烷、0.4重量份的六甲基二硅氧烷、5重量份的引发剂十二烷基苯磺酸、15重量份的非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（NP-9）和280重量份的去离子水进行乳液聚合，得到质量浓度为30%的聚二甲基硅氧烷乳液，乳液的平均粒径为180nm。其中，聚二甲基硅氧烷在20℃时的粘度为50000厘泊。该聚二甲基硅氧烷的结构如前述结构式（3）所示（R=CH₃）。

以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，将100重量份的氨基聚硅氧烷乳液与30重量份的聚二甲基硅氧烷乳液进行混合均匀得到有机硅纺丝油剂。用去离子水稀释至质量含量为1.5%的有机硅纺丝油剂。

聚丙烯腈原丝的制备、预氧化和碳化工艺与实施例1相同，所得碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况如表1所示。

实施例4

以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，将实施例3中的100重量份的氨基聚硅氧烷乳液与60重量份的聚二甲基硅氧烷乳液进行混合均匀得到有机硅纺丝油剂。用去离子水稀释至质量含量为3%的有机硅纺丝油剂。

聚丙烯腈原丝的制备、预氧化和碳化工艺与实施例2相同，所得碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况如表1所示。

比较例1

使用实施例1的氨基聚硅氧烷乳液作为碳纤维纺丝油剂。聚丙烯腈原丝的制备、预氧化和碳化工艺与实施例1相同，所得碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况如表1所示。

比较例2

使用实施例1的聚二甲基硅氧烷乳液作为碳纤维纺丝油剂。聚丙烯腈原丝制备、预氧化和碳化工艺与实施例1相同，所得碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况如表1所示。

表1碳纤维的强度、模量及纺丝、预氧化、碳化工艺与碳纤维毛丝状况

从表1的结果可以看出，使用本发明的有机硅纺丝油剂，得到的碳纤维强度高，碳纤维的毛丝少，并且制备工艺性能良好(原丝分散性好，集束性好，预氧化、碳化过程中无粘辊、并丝和断丝现象)。

实施例和比较例中的碳纤维的强度、碳纤维的模量测试，是采用INSTRON 3365万能试验机（美国Instron公司）进行测试。

Claims

1.一种用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是:所述的有机硅纺丝油剂是将以机械乳化方法制备的、质量浓度在20～40%范围的氨基聚硅氧烷乳液与以乳液聚合方法制备的、质量浓度在30～50%范围的聚二甲基硅氧烷乳液混合均匀得到的。

2.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是：所述的有机硅纺丝油剂中，以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，氨基聚硅氧烷乳液为100重量份，聚二甲基硅氧烷乳液为10～60重量份。

3.根据权利要求1或2所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是：所述的氨基聚硅氧烷乳液中的氨基聚硅氧烷具有下式（1）或式（2）所示的结构式：

所述的氨基聚硅氧烷在20℃时的粘度为50～500厘泊，所述的氨基聚硅氧烷的氨基含量为0.15～0.65mmol/g。

4.根据权利要求1或2所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是：所述的聚二甲基硅氧烷乳液中的聚二甲基硅氧烷具有下式（3）所示的结构式；

其中R为CH₃或者OH。

5.根据权利要求4所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是：所述的聚二甲基硅氧烷在20℃时的粘度大于或等于50000厘泊。