CN107955123A - 碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料领域,具体地说是一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法。包括下述步骤:将带有‑COOH基团的二元醇加入到适量丙酮中,搅拌分散,再加入二元异氰酸酯化合物,按照二元醇与二元异氰酸酯化合物摩尔比为1:2在60℃左右进行回流反应,反应完全之后得到含有‑COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物,再将所述的聚氨酯产物与羟基硅油,按照摩尔比为1:1~1:2在催化剂的作用下,在90℃~100℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。本发明解决现有的氨基改性硅油亲水性差、氨基分布不均匀、反应条件难以控制等问题。将亲水性羧基引入聚氨酯中,然后利用聚氨酯对羟基硅油进行改性,制备出带有亲水性羧基并且羧基分布均匀的羧基改性硅油。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域,具体地说是一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法。
背景技术
众所周知,由于碳纤维具有高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,因此广泛应用于航空航天、国防军事和建筑汽车等诸多领域。其中,应用最广泛的碳纤维为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。现代工业生产聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的方法一般为:丙烯腈单体聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化。上油工艺通常安排在原丝水洗工艺后,进行预氧化处理之前。由于碳纤维原丝在干燥致密化、牵伸、预氧化过程和后续的碳化工艺过程需要经过许多导辊,在干燥致密化、牵伸的过程中,纤维之间、纤维与导辊之间会互相摩擦,导致纤维表面产生缺陷和静电,更为关键的是,在高温处理过程中,原丝会产生局部变软甚至熔融的现象,这样会造成纤维单丝之间发生粘连、并丝,因此上油的目的是在纤维原丝表面形成一层保护膜,可以有效防止粘结、毛丝、断丝等影响产品性能的问题出现。
油剂的使用对聚丙烯腈原丝的亲水性、集束性、分纤性及加工毛丝率等有重要的影响,因此碳纤维原丝油剂应该具备耐高温、抗静电性,润滑性等性能。日本生产碳纤维的公司都开发了独有的专用油剂,但国内长期没有用于聚丙烯腈原丝生产的专用油剂,也是导致碳纤维质量上不去的一个重要原因。
碳纤维油剂的种类很多,从基本原料看主要分硅系油剂和无硅油剂两种,随着生产工艺不断改进,为了进一步提高油剂耐热性能和分纤性能,减少设备残留物,目前PAN 原丝油剂多选用改性有机硅油。其中,氨基改性硅油具有优良的耐热性、亲水性、乳化性以及成膜性而得到广泛应用。
氨基聚硅氧烷的结构,包括分子量、氨基含量等对油剂本身的性能和上油后纤维的性能都有很重要的影响。上油之后,希望油剂能够在纤维表面快速、均匀地铺展,油剂和纤维能够紧密结合。目前工业上生产的氨基改性硅油分子结构中氨基分布不均匀,分子量分布范围宽,反应过程中产生的杂质难以去除,而且反应条件难以控制,导致硅油的亲水性很差,无法得到稳定的乳液,与纤维结合强度太低,难以在纤维表面均匀铺展,无法对纤维起到有效的保护作用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有的技术不足,提供一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,解决现有的氨基改性硅油亲水性差、氨基分布不均匀、反应条件难以控制等问题。将亲水性羧基引入聚氨酯中,然后利用聚氨酯对羟基硅油进行改性,制备出带有亲水性羧基并且羧基分布均匀的羧基改性硅油。
由于羧基的加入导致亲水性增强,乳液稳定性增加,羧基分布均匀使硅油和纤维结合紧密,有利于油剂在制备碳纤维时,更快速、更均匀地渗透、铺展到每一根纤维表面,得到分散性、集束性好的碳纤维。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:将带有-COOH基团的二元醇加入到适量丙酮中,搅拌分散,再加入二元异氰酸酯化合物,按照二元醇与二元异氰酸酯化合物摩尔比为1:2在60℃左右进行回流反应,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物,再将所述的聚氨酯产物与羟基硅油,按照摩尔比为1:1~1:2在催化剂的作用下,在90℃~100℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
所述的二元异氰酸酯化合物,含有甲苯二异氰酸酯、乙苯二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5萘二异氰酸酯、六次亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯其中的一种或一种以上。
所述的羟基硅油,25℃测粘度≤100mm2/s,羟基含量0.5%~2%,端基为羟基的线性聚二甲基硅氧烷中的一种或一种以上。
所述的催化剂,含有三亚乙基二胺、三乙胺、二月桂酸二正丁基锡、辛酸亚锡中的一种或一种以上。
本发明的有益效果是,通过将亲水羧基引入聚硅氧烷分子中,制备出带有亲水性羧基并且羧基分布均匀的羧基改性硅油,使油剂的亲水性大大提高,从而获得微乳液形式的油剂,因此可以提高油剂的稳定性。羧基分布均匀导致硅油和纤维结合紧密,有利于油剂在制备碳纤维时,更快速、更均匀地渗透到每一根纤维表面,并且由于分子内含有氨酯基,更有利于提高油剂和纤维的结合力,降低纤维间、纤维与导辊之间的摩擦,减少因摩擦而引起的表面损伤和静电的产生,避免纤维在预氧化和低温碳化时粘连、并丝现象的产生。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述:
实施例1,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将130重量份的2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入350重量份的甲苯二异氰酸酯(TDI),在60℃进行回流反应,反应2个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入230重量份的粘度为50mm2/s的羟基硅油,再加入25重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的二月桂酸二正丁基锡,在90℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
实施例2,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将120重量份的二羟甲基丁酸(DMBA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入330重量份的乙苯二异氰酸酯(EDI),在60℃进行回流反应,反应2个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入230重量份的粘度为70mm2/s的羟基硅油,再加入25重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的辛酸亚锡,在90℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
实施例3,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将120重量份的2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入330重量份的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),在60℃进行回流反应,反应2个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入250重量份的粘度为90mm2/s的羟基硅油,再加入30重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的N,N二甲基环己胺,在90℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
实施例4,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将130重量份的二羟甲基丁酸(DMBA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入350重量份的1,5萘二异氰酸酯(NDI),在65℃进行回流反应,反应2个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入230重量份的粘度为50mm2/s的羟基硅油,再加入25重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的N,N二甲基苄胺,在90℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
实施例5,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将130重量份的2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入350重量份的六次亚甲基二异氰酸酯(HDI),在60℃进行回流反应,反应2个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入230重量份的粘度为70mm2/s的羟基硅油,再加入25重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的N-甲基吗啉,在95℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
实施例6,一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其步骤如下:
一、向反应器中加入适量丙酮,将130重量份的二羟甲基丁酸(DMBA)加入到适量丙酮中,开启搅拌,使两者混合均匀,再向反应器中加入350重量份的异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI),在60℃进行回流反应,反应3个小时,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物。
二、向反应器中加入230重量份的粘度为90mm2/s的羟基硅油,再加入25重量份步骤一合成的聚氨酯产物,开启搅拌,使两者混合均匀,再加入0.5重量份的N,N’-二甲基吡啶,在95℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
所述油剂按如下方法制备:
将制得的羧基改性硅油加入到乳化器中,加入抗氧剂、抗静电剂等助剂,并用机械搅拌器搅拌,用三元胺中和,控制温度为50℃,并缓慢滴加适量去离子水,直到固含量达到30%,控制搅拌速度适中,搅拌2个小时,直到变成均匀的、半透明、泛蓝光的白色乳液为止。
表1为实施例1~6所制得碳纤维油剂和对比项普通氨基改性硅油剂的检测数据。
通过实施例1~6所制得碳纤维油剂和普通氨基改性硅油剂的检测数据进行对比可以看出,所制得碳纤维油剂的粘度(25℃)≤20 mPa·s,固含量为30%左右,平均粒径为200~300nm之间,油剂的储存稳定性>3个月,稀释到1.5%,稳定性>15天,纤维在预氧化过程中不分丝,在低温碳化过程中不断丝。本发明制备的油剂稳定性良好,且能够有效润湿纤维表面,渗透性快,可以在单丝表面均匀成膜,润滑性好,能够降低纤维之间和导辊之间的摩擦,减少单丝粘连和并丝的现象的出现,减少了纤维表面缺陷,并且纤维具有羽毛般的特有手感,且耐高温,可以在整个预氧化过程中以及低温碳化初期很好地保护纤维。
上面所述的带有-COOH基团的二元醇,通常情况下是一种无味的白色粉末,羟基含量≥99%,在水性聚氨酯中既是扩链剂,又能使聚氨酯获得自乳化性能,可制成稳定性良好的自乳化性水性聚氨酯。举例为2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA),可以含有其中的一种或一种以上。
上面所述的二元异氰酸酯化合物具有下列所示的结构式:
式中:R为含有苯环或者不含苯环的烷基。
所述的二元异氰酸酯化合物,具有两个异氰酸酯基团,二官能团及以上的异氰酸酯可用来合成一系列性能优良的聚氨酯泡沫塑料、涂料、胶黏剂等,由于异氰酸酯具有高反应活性,容易与一些带活性基团的有机或无机物反应,生产聚氨酯弹性体。此外,异氰酸酯在适当条件下还可以发生自聚反应,形成二聚体或高分子量的聚合物,因此,异氰酸酯一般要求在低温、无光照条件下储存。举例为甲苯二异氰酸酯(TDI)、乙苯二异氰酸酯(EDI)、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、1,5萘二异氰酸酯(NDI)、六次亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI),可以含有其中的一种或一种以上。
上面所述的羟基硅油具有下列所示的结构式:
式中:n=5~50时,一般为无色或淡黄色透明油状物。
上面所述的羟基硅油,为端基为羟基的线性聚二甲基硅氧烷,油状液体,粘度可以从很小到很大,其羟基含量从万分之几到百分之几,基本常用的羟基硅油粘度≤100mm2/s(25℃),羟基含量0.5%~2%,可以含有端基为羟基的线性聚二甲基硅氧烷中的一种或一种以上。
上面所述的催化剂,可以催化聚氨酯及其原料合成,常用的催化剂主要有叔胺和有机金属化合物两大类。其中,脂肪族胺类催化剂有N,N二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚,三乙胺、N,N二甲基苄胺等,脂环族胺类催化剂有N-乙基吗啉、N-甲基吗啉等,醇类催化剂有三乙醇胺等,芳香族胺类有N,N’-二甲基吡啶等,有机金属催化剂有二月桂酸二正丁基锡、辛酸亚锡等,可以含有其中的一种或一种以上。
上面所述的二元醇与二元异氰酸酯的反应机理为:
上述反应属于二级反应,反应速度随着羟基含量而变化,不随异氰酸酯浓度而变化。异氰酸酯与羟基的摩尔比,一般称为异氰酸酯指数,R值。R值>1,产物为端NCO封端的聚氨酯预聚体。R值<1,产物为端OH封端的预聚体。R值=1,理论上生产无穷大的高聚物,实际上由于水分、杂质等影响不可能实现。R值越靠近1,分子量越大,体系粘度越大。
上面所述的聚氨酯产物与羟基硅油的反应机理为:
Claims (4)
1.一种碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:将带有-COOH基团的二元醇加入到适量丙酮中,搅拌分散,再加入二元异氰酸酯化合物,按照二元醇与二元异氰酸酯化合物摩尔比为1:2在60℃左右进行回流反应,反应完全之后得到含有-COOH的异氰酸酯封端的聚氨酯产物,再将所述的聚氨酯产物与羟基硅油,按照摩尔比为1:1~1:2在催化剂的作用下,在90℃~100℃下进行反应,同时蒸馏除去丙酮,最终得到的产物为硅羟基封端的聚氨酯改性硅油。
2.根据权利要求1所述碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其特征在于所述的二元异氰酸酯化合物,含有甲苯二异氰酸酯、乙苯二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5萘二异氰酸酯、六次亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯其中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其特征在于所述的羟基硅油,25℃测粘度≤100mm2/s,羟基含量0.5%~2%,端基为羟基的线性聚二甲基硅氧烷中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述碳纤维油剂用聚氨酯改性硅油的制备方法,其特征在于所述的催化剂,含有三亚乙基二胺、三乙胺、二月桂酸二正丁基锡、辛酸亚锡中的一种或一种以上。
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