CN105671944B - 一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂及其制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂及其制备和使用方法，所述纺丝油剂由以下组分组成：A组分2～9%，B组分3～8%，C组分1～6%，余为水；A组分是由硅油和水以质量比1:3～10制成的混合液；B组分为柔顺成膜剂的水溶液；C组分为表面活性剂。所述制备方法是将三个组分混合，加热，搅拌，冷却，超声处理，即成。所述使用方法是采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率0.1～5.0%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面。本发明纺丝油剂稳定性较好，在连续聚碳硅烷初生纤维纺丝中，可以起到抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率等作用，在不熔化纺丝中，未发现纤维熔并，可顺利退丝；本发明制备和使用方法工艺简单，成本低。

Description

一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂及其制备和使用方法
技术领域
本发明涉及一种纤维长丝在熔融纺丝过程中使用的助剂及其制备和使用方法，具体涉及一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂及其制备和使用方法。
背景技术
连续碳化硅纤维直径细、强度高、模量高、可编织，高温化学稳定性与耐氧化性好，改性后的SiC纤维还具有吸收或透过雷达波的性能。它是先进轻质耐高温陶瓷基复合材料、金属基复合材料和雷达吸波结构材料首选的高性能增强纤维之一，在航天、航空、核工业等高技术领域有广阔的应用前景。
连续聚碳硅烷纤维是制备连续碳化硅纤维的原丝。先驱体聚碳硅烷熔融纺丝制备原丝后，再经不熔化及高温烧成等工艺即可制得连续碳化硅纤维，原丝的性能直接影响后续工序的开展并影响最终陶瓷纤维性能。碳硅烷纤维是高分子聚合物，吸湿性小，导电性差，摩擦系数大，纺丝和后续加工时易产生静电，且由于聚碳硅烷的数均分子量只有2000～3000，远远低于普通纺丝聚合物的分子量，导致原丝强度很低，且十分脆弱（约4MPa左右），纤维一碰即断，且在熔融纺丝过程中单丝之间易发生粘连或断丝。所以，纺丝过程中，需要采用纺丝油剂来消除静电、减少摩擦、使纤维集束，以减少纤维产生毛丝断头。
需要指出的是，除了上面提到的用纺丝油剂解决纤维强度极低的问题以外，与一般聚合物纺丝油剂相比，聚碳硅烷纤维的纺丝油剂还要面对一个特殊的要求，就是由于接下来的纤维不熔化是一个放热反应，要求束丝中单丝与单丝间不能抱合太紧，否则单丝间会熔并，即通常说的并丝。这就产生了一个矛盾：为消除静电、使纤维集束，以不产生毛丝断头，可以使纤维表面多包覆油剂，使纤维抱合紧些，但同时为了纤维不熔化均匀和不产生并丝，又需要纤维不能抱合太紧。正因为这个矛盾的存在，目前还没有哪一种纺丝油剂可以完全满足所有这些要求。所以，迫切需要开发一种既能够使聚碳硅烷纤维纺丝成型时，能消除静电、使纤维较好集束，减少或不产生断头，又能够保证在后续不熔化过程中纤维不产生熔并，且易于退绕的纺丝油剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种稳定性好，既能够使聚碳硅烷纤维纺丝成型时，能抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率，又能够保证在后续不熔化过程中纤维不产生熔并，且易于退绕的连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂。
本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，一种工艺简单，成本低，且可满足连续聚碳硅烷纤维纺丝要求的连续聚碳硅烷纤维纺油剂的制备和使用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，由以下组分按质量百分比组成：A组分2～9%，B组分3～8%，C组分1～6%，余为水；
其中，A组分是由硅油和水以质量比1:3～10制成的混合液；
B组分为质量浓度0.5～5.0wt%的柔顺成膜剂的水溶液；
C组分为表面活性剂。
进一步，所述纺丝油剂由以下组分按质量百分比组成：A组分3～6%，B组分5～7%，C组分3～5%，余为水；
其中，A组分是由硅油和水以质量比1:5～9制成的混合液；
B组分为质量浓度1～3wt%的柔顺成膜剂的水溶液；
C组分为表面活性剂。
本发明连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂：（1）能消除静电、使纤维较好集束，是由上述三类组分共同作用实现的，其中以硅油和表面活性剂的作用为主；（2）能减少或消除由于摩擦产生的表面缺陷或断头，是由上述三类组分共同作用实现的，其中以柔顺成膜剂的作用为主；（3）易于退绕，且同时能确保在后续不熔化过程中纤维不产生熔并，是由上述三类组分共同作用实现的，各组分发挥的作用基本相当。
进一步，所述硅油为甲基硅油、乙基硅油、二甲基硅油或甲基苯基硅油等中的一种或几种。当多种硅油混合使用时，优选各硅油的用量相同。
进一步，所述柔顺成膜剂为聚乙二醇、聚丙二醇或油酸聚乙二醇酯等中的一种或几种。当多种柔顺成膜剂混合使用时，优选各柔顺成膜剂的用量相同。
进一步，所述表面活性剂为C12烷基醚磷酸酯钾盐、C18烷基二甲基羟乙基铵盐或三硅氧烷等中的一种或几种。当多种表面活性剂混合使用时，优选各表面活性剂的用量相同。
本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的制备方法，将A、B、C三个组分混合后，在搅拌状态下，加热至30～70℃，再恒温搅拌30～60min，然后冷却至室温，进行超声处理，即成。所述室温为25℃。
进一步，所述超声的频率为30～60Hz，超声的时间为15～30min。超声处理的作用主要是易于各组分的分散，能更加充分的实现协同作用。
本发明更进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的使用方法，采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率0.1～5.0%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。所述连续聚碳硅烷初生纤维即由纺丝机的喷丝板喷出的连续聚碳硅烷成型纤维。所述上油率即单位质量连续聚碳硅烷初生纤维上纺丝油剂的用量百分比。若上油率过大，会使纤维抱合太紧，影响后续不熔化处理的效果，使纤维产生熔并，若上油率过低，则达不到集束和消除静电等目的。实际使用中，将所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂装入纺丝油剂喷雾器的容器中（喷雾器由容器、溶剂管道、油剂计量泵和集束喷嘴组成，喷雾压力由油剂计量泵产生，调整油剂计量泵转速可控制上油率），采用喷雾方式将纺丝油剂喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面；连续聚碳硅烷初生纤维由纺丝机的喷丝板喷出，经纺集束喷嘴上油集束，再卷绕在纺丝机的收丝轮上，纺丝机的收丝轮转速优选为450～500m/min。实际操作中可通过调节油剂计量泵和收丝轮转速调整上油率。
进一步，采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率2～4%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的粘度为5～15mPa.s，透光率为85～95%，将其在室温下放置3 个月后，粘度变化小于±0.4mPa.s，说明本发明油剂稳定性较好；
（2）将本发明纺丝油剂喷在连续聚碳硅烷初生纤维上，能很好地涂覆在纤维表面，可以起到抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率等作用，有效保护了纤维表面；在不熔化纺丝中，未发现纤维熔并，可实现100%的纤维退绕比例，本发明纺丝油剂首次同时满足了连续聚碳硅烷纤维在纺丝和不熔化中的工艺要求；
（3）本发明纺丝油剂的制备方法工艺简单，成本低；
（4）本发明油剂的使用方法可与连续聚碳硅烷纤维纺丝设备配套使用，设备容易实现，工艺操作简单。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的化学试剂均为工业级，纯度均≥99%，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
本发明实施例采用VISCOMATE VM-10A-M型粘度计（日本SEKONIC公司生产），在室温20～25℃下测试所得连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的粘度；采用紫外可见分光光度计（日立公司）测试透光率。
实施例1
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，由30g A组分，70g B组分，40g C组分和860g去离子水；
其中，A组分是由1.5g二甲基硅油和1.5g甲基苯基硅油混合后，再与27g去离子水制成的混合液；
B组分为质量浓度1wt%的聚乙二醇的水溶液；
C组分为C12烷基醚磷酸酯钾盐。
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的制备方法：将上述A、B、C三个组分混合后，在搅拌状态下，加热至50℃，再恒温搅拌35min，然后冷却至室温，在超声频率为50Hz下，进行超声处理20min，即成。
经检测，所得连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的粘度为7.4mPa.s，透光率为90%；将其在室温下放置3 个月后，粘度为7.5mPa.s，透光率为90%，无分层现象，说明该油剂稳定性好。
本发明实施例在使用纺丝油剂时均是采用现有设备，将所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂装入纺丝油剂喷雾器的容器中，对连续聚碳硅烷初生纤维上油，其中，喷雾器由容器、溶剂管道、油剂计量泵和集束喷嘴组成，喷雾压力由油剂计量泵产生，调整油剂计量泵转速可控制上油率；所述连续聚碳硅烷初生纤维由纺丝机的喷丝板喷出，经纺集束喷嘴上油集束，再卷绕在纺丝机的收丝轮上。
纺丝油剂的使用方法为：采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率3.0%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。纺丝机的收丝轮转速为500m/min；所述纺丝油剂能很好地涂覆在纤维表面，起到了抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率等作用，有效保护了纤维表面；在不熔化纺丝中，未发现纤维熔并，可实现100%的纤维退绕比例。
实施例2
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，由80g A组分，30g B组分，60g C组分和830g去离子水；
其中，A组分是由8.0g甲基硅油和8.0g乙基硅油的混合物和64g去离子水制成的混合液；
B组分为聚乙二醇和聚丙二醇按质量比1:1混合后，配制而成的质量浓度为5wt%的水溶液；
C组分为20gC12烷基醚磷酸酯钾盐、20gC18烷基二甲基羟乙基铵盐和20g三硅氧烷的混合物。
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的制备方法：将上述A、B、C三个组分混合后，在搅拌状态下，加热至30℃，再恒温搅拌60min，然后冷却至室温，在超声频率为60Hz下，进行超声处理30min，即成。
经检测，所得连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的粘度为8.5mPa.s，透光率为92%；将其在室温下放置3 个月后，粘度为8.9mPa.s，透光率为91%，无分层现象，说明该油剂稳定性好。
纺丝油剂的使用方法为：采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率0.5%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。纺丝机的收丝轮转速为450m/min；所述纺丝油剂能很好地涂覆在纤维表面，起到了抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率等作用，有效保护了纤维表面；在不熔化纺丝中，未发现纤维熔并，可实现100%的纤维退绕比例。
实施例3
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，由20g A组分，80g B组分，40g C组分和860g去离子水；
其中，A组分是由3.0g二甲基硅油和17.0g去离子水制成的混合液；
B组分为质量浓度0.5wt%的聚丙二醇的水溶液；
C组分为20gC12烷基醚磷酸酯钾盐和20g三硅氧烷的混合物。
连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的制备方法：将上述A、B、C三个组分混合后，在搅拌状态下，加热至70℃，再恒温搅拌30min，然后冷却至室温，在超声频率为30Hz下，进行超声处理30min，即成。
经检测，所得连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的粘度为10mPa.s，透光率为89.5%；将其在室温下放置3 个月后，粘度为10mPa.s，透光率为90%，无分层现象，说明该油剂稳定性好。
纺丝油剂的使用方法为：采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率5.0%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。纺丝机的收丝轮转速为450m/min；所述纺丝油剂能很好地涂覆在纤维表面，起到了抗静电、抱合集束、防纤维粘连、降低断头率等作用，有效保护了纤维表面；在不熔化纺丝中，未发现纤维熔并，可实现100%的纤维退绕比例。
为了对比本发明实施例所得纺丝油剂的效果，采用相同的原料、纺丝条件及上油工艺进行纺丝，只是改变纺丝油剂和上油率，具体如对比例1～3。
对比例1
将实施例1所述连续聚碳硅烷初生纤维直接进行纺丝，不喷涂任何油剂。
对比例2
采用去离子水为油剂，不添加任何其它组分，使用方法和上油率与实施例2相同。
对比例3
采用UDY-2033锦纶纺丝油剂（生产厂家：江苏仪征化纤公司），使用方法和上油率与实施例3相同。
将实施例1～3所得纺丝油剂在连续聚碳硅烷初生纤维的上油效果与对比例1～3进行对比，如表1所示。
表1 实施例1～3所得纺丝油剂在连续聚碳硅烷初生纤维的上油效果与对比例1～3的对比表
注：表中“-”表示无法进行后续不熔化。
由表1可知，当上油率为0.5～5.0% 时，采用实施例1～3所得纺丝油剂时，连续聚碳硅烷初生纤维纺丝过程中，集束效果良好，毛丝断头率小于3%；纤维不熔化后没有出现并丝，卷绕到收丝筒上的纤维可以完全实现退绕，说明本发明实施例所得纺丝油剂完全达到了工艺要求。
而当对比例1中不用油剂时，不能实现集束，原丝经过集束嘴时立即断裂，纤维无法卷绕上筒，纺丝无法进行；而对比例2中只用水作为油剂时，虽然可以实现纺丝，但集束效果不好，断头率高达20%，虽然不熔化后纤维不并丝，但由于毛丝太多，纤维无法退绕，不能满足连续聚碳硅烷纤维质量标准要求；而对比例3采用市售的UDY-2033锦纶纺丝油剂，虽然集束效果良好，且纤维无断头，但不熔化后纤维全部熔并并丝，不能实现退绕，不能进行后续工艺，实际上为废品。

Claims (6)

1.一种连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，其特征在于，由以下组分按质量百分比组成：A组分2～9%，B组分3～8%，C组分3～6%，余为水；
其中，A组分是由硅油和水以质量比1:3～10制成的混合液；
B组分为质量浓度0.5～5.0wt%的柔顺成膜剂的水溶液；所述柔顺成膜剂为聚乙二醇、聚丙二醇或油酸聚乙二醇酯中的一种或几种；
C组分为表面活性剂；所述表面活性剂为C12 烷基醚磷酸酯钾盐、C18 烷基二甲基羟乙基铵盐或三硅氧烷中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，其特征在于：由以下组分按质量百分比组成：A组分3～6%，B组分5～7%，C组分3～5%，余为水；
其中，A组分是由硅油和水以质量比1:5～9制成的混合液；
B组分为质量浓度1～3wt%的柔顺成膜剂的水溶液；
C组分为表面活性剂。
3.根据权利要求1或2所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂，其特征在于：所述硅油为甲基硅油、乙基硅油、二甲基硅油或甲基苯基硅油中的一种或几种。
4.如权利要求1～3之一所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的制备方法，其特征在于：将A、B、C三个组分混合后，在搅拌状态下，加热至30～70℃，再恒温搅拌30～60min，然后冷却至室温，进行超声处理，即成；所述超声的频率为30～60Hz，超声的时间为15～30min。
5.如权利要求1～3之一所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的使用方法，其特征在于：采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率0.1～5.0%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。
6.根据权利要求5所述连续聚碳硅烷纤维纺丝油剂的使用方法，其特征在于：采用喷雾的方式，将所述纺丝油剂以上油率2～4%，喷在连续聚碳硅烷初生纤维表面即可。
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