CN106544760B - 一种碳纤维原丝专用油剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维原丝专用油剂及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将聚氧乙烯磷酸酯10～100重量份和脂肪醇聚氧乙烯醚20～150重量份混合，再加入八环氧基六面体聚倍半硅氧烷5～25重量份，进行混合；(2)控制温度为50～70℃，并加入100重量份的氨基改性硅油；(3)仍旧控制温度为50～70℃，对上述混合物进行机械搅拌，然后加入去离子水，直至乳液中固含量达到15～45wt％，即得碳纤维原丝专用油剂。本发明制备的碳纤维原丝专用油剂具有较好的亲水性能、较高的耐热性和较强的抗氧化性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维原丝专用油剂及其制备方法。
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。聚丙烯腈基碳纤维原丝在制备过程中会发生融合、粘连、并产生毛丝和并丝现象，最终影响到碳纤维的强度和使用性能。碳纤维原丝油剂可以有效的附着在聚丙烯腈原丝的表面，均匀成膜，既可防止单丝之间粘连和并丝，也可防止在生产过程中纤维表面与辊筒的摩擦与磨损，从而有效避免纤维表面产生的缺陷，使得聚丙烯腈原丝在碳化前能够阻燃、不融化、不粘结、不起毛丝和不断丝。
对于聚丙烯腈基碳纤维原丝专用油剂生产技术主要集中在美、日等发达国家，国内对于碳纤维油剂的研究较少，生产技术与国外先进技术差距较大，目前随着国内碳纤维产业蓬勃发展，对于高性能的油剂的需求越来越大，但是国内碳纤维原丝生产企业所用的聚丙烯腈基碳纤维优质油剂主要依赖进口，严重制约着我国碳纤维产业的发展。
目前很多国外专利报道，高性能的碳纤维原丝油剂主要使用功能改性聚二甲基硅氧烷为主体成分，国内外碳纤维制造厂家广泛使用的碳纤维油剂的主体成分一般都是氨基聚硅氧烷，并加入相应的抗静电剂、抗氧化剂、乳化剂、等助剂。氨基改性硅油具有较好的亲水性但是该油剂的缺点是在温度高于60℃时会形成凝胶粒子，而聚丙烯腈纤维在干燥时的温度一般控制在150℃，纤维的预氧化温度控制在250℃。所以此类油剂如果不能满足预氧化条件的要求就很难生产出高性能的碳纤维。该油剂的耐热性较差，一般将环氧改性的硅油与其混合来提高油剂的耐热性。但是硅氧烷与非硅氧烷成分之间的相容性不好，油剂成分容易在纤维素上附着不均匀，不能完全防止单纤维之间的熔合难以稳定得到机械性能优良的碳纤维束。
发明内容
本发明的目的主要是提供一种碳纤维原丝专用油剂及其制备方法，以改善现有技术中专用油剂的亲水性、耐热性和抗氧化性。
本发明的目的是这样实现的，一种碳纤维原丝专用油剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将聚氧乙烯磷酸酯10～100重量份和脂肪醇聚氧乙烯醚20～150重量份混合，再加入八环氧基六面体聚倍半硅氧烷5～25重量份，进行混合；
(2)控制温度为50～70℃，并加入100重量份的氨基改性硅油；以及
(3)仍旧控制温度为50～70℃，对上述混合物进行机械搅拌，然后加入去离子水，直至乳液中固含量达到15～45wt％，即得碳纤维原丝专用油剂。
其中，所述机械搅拌的转速为14000～18000r/min，搅拌时间大于1h。
其中，所述聚氧乙烯磷酸酯通式为R1-O-(CH2CH2O)n-PO3H2或(R1-O-(CH2CH2O)n)2-PO3H；其中，n＝3～15，R1为壬基苯、辛基苯或12～18个碳原子的直链烷基。
其中，所述脂肪醇聚氧乙烯醚通式为R-O-(CH2CH2O)n-H；其中，n＝15～20，R为12～18个碳原子的直链烷基。
其中，所述氨基改性硅油具有如下所示的结构式，
其中，所述八环氧基六面体聚倍半硅氧烷为八(1,2-环氧基-4-乙基环己基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷或八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷，结构式分别为
本发明还提供了由上述制备方法制备的碳纤维原丝专用油剂。
本发明的有益效果：
本发明制备的油剂以氨基改性硅油为主体，添加八环氧基六面体聚倍半硅氧烷，六面体聚倍半硅氧烷(POSS)被认为是最小的二氧化硅颗粒，可以在纳米尺度上实现有机和无机化合物的杂化，并且无论是以掺杂或者是嫁接形式将POSS引入到材料中都会提高材料的热稳定性而且还可以提高材料的阻燃性、硬度和耐刮擦性。本发明增加POSS的油剂的抗氧化性和耐热性有了很大提高，而且还改善了碳纤维原丝的集束性和抗静电性。另外，该油剂的制备方法简便，适合于工业生产。
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
原料比例：
本发明中，原料通常为聚氧乙烯磷酸酯10～100重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚20～150重量份，八环氧基六面体聚倍半硅氧烷5～25重量份，氨基改性硅油100重量份。
乳液中固含量：
本发明中，对乳液中的固含量通常限定为15～45wt％，若固含量低于15％，则达不到预期的效果，若固含量高于45％，则成本提高，效果增加不明显。
下面通过具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
实施例1：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯100重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚150重量份，再加入八(1,2-环氧基-4-乙基环己基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷25重量份，使其混合均匀，严格控制温度为50℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度50℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为18000r/min，搅拌时间为1h，直至乳液固含量达到28％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂
实施例2：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯80重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚120重量份，再加入八(1,2-环氧基-4-乙基环己基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷20重量份，使其混合均匀，严格控制温度为50℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度50℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为18000r/min，搅拌时间为1h，直至乳液固含量达到35％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂
实施例3：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯60重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚150重量份，再加入八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷15重量份，使其混合均匀，严格控制温度为60℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度60℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为14000r/min，搅拌时间为1h，直至乳液固含量达到40％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂
实施例4：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯40重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚100重量份，再加入八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷10重量份，使其混合均匀，严格控制温度为65℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度65℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为14000r/min，搅拌时间为1h，直至乳液固含量达到40％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂
实施例5：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯60重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚70重量份，再加入八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷5重量份，使其混合均匀，严格控制温度为70℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度70℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为15000r/min，搅拌时间为5h，直至乳液固含量达到45％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂。
实施例6：
在2L的反应器中加入聚氧乙烯磷酸酯10重量份，脂肪醇聚氧乙烯醚20重量份，再加入八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷5重量份，使其混合均匀，严格控制温度为70℃，缓慢加入100重量份的氨基改性硅油，并用机械搅拌器搅拌上述混合物。控制温度70℃并缓慢添加去离子水，控制机器搅拌速度的转速为15000r/min，搅拌时间为10h，直至乳液固含量达到15％。制得本发明的碳纤维原丝用油剂。
本发明的有益效果：
本发明制备的油剂以氨基改性硅油为主体，添加八环氧基六面体聚倍半硅氧烷，六面体聚倍半硅氧烷(POSS)被认为是最小的二氧化硅颗粒，可以在纳米尺度上实现有机和无机化合物的杂化，并且无论是以掺杂或者是嫁接形式将POSS引入到材料中都会提高材料的热稳定性而且还可以提高材料的阻燃性、硬度和耐刮擦性。本发明增加POSS的油剂的抗氧化性和耐热性有了很大提高，而且还改善了碳纤维原丝的集束性和抗静电性。另外，该油剂的制备方法简便，适合于工业生产。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种碳纤维原丝专用油剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将聚氧乙烯磷酸酯10～100重量份和脂肪醇聚氧乙烯醚20～150重量份混合，再加入八环氧基六面体聚倍半硅氧烷5～25重量份，进行混合；
(2)控制温度为50～70℃，并加入100重量份的氨基改性硅油；以及
(3)仍旧控制温度为50～70℃，对上述混合物进行机械搅拌，然后加入去离子水，直至乳液中固含量达到15～45wt％，即得碳纤维原丝专用油剂；
所述八环氧基六面体聚倍半硅氧烷为八(1,2-环氧基-4-乙基环己基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷或八(3-缩水甘油醚氧基丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的碳纤维原丝专用油剂的制备方法，其特征在于，所述机械搅拌的转速为14000～18000r/min。
3.根据权利要求1所述的碳纤维原丝专用油剂的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯磷酸酯通式为R1-O-(CH2CH2O)n-PO3H2或(R1-O-(CH2CH2O)n)2-PO2H；其中，n＝3～15，R1为壬基苯、辛基苯或12～18个碳原子的直链烷基。
4.根据权利要求1所述的碳纤维原丝专用油剂的制备方法，其特征在于，所述脂肪醇聚氧乙烯醚通式为R-O-(CH2CH2O)n-H；其中，n＝15～20，R为12～18个碳原子的直链烷基。
5.根据权利要求1所述的碳纤维原丝专用油剂的制备方法，其特征在于，所述氨基改性硅油具有如下所示的结构式，
6.权利要求1至5中任一项所述的碳纤维原丝专用油剂的制备方法制备的碳纤维原丝专用油剂。
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