CN114232139A - 一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂及其制备方法，该油剂主要由氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油、三元共聚硅油、复合乳化剂及去离子水等组分构成，是一种水包油型的水性微乳液，其粒径在50～500nm，能较好的匹配干喷湿纺工艺，在短时间对原丝进行均匀上油，且在干燥致密化及蒸汽牵伸等阶段不易粘辊，收卷不变形、毛丝量少，具有较好的纺丝工艺性；在预氧化及低温碳化阶段不黏连，毛丝量少，碳化强度高，离散系数小。该方法具有绿色环保，安全性好、生产效率高、质量稳定等特点，适合聚丙烯腈干喷湿纺工艺的大批量使用。

Description

一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维生产技术，特别是一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法。
背景技术
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是 1960 年代迅速发展起来的新型材料，因其具有质量轻、比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗疲劳、导电、导热等优异性能，而被广泛应用于军工及航空航天等高端领域。但是碳纤维属于脆性材料，缺陷是制约其拉伸强度的主要因素。在各类缺陷中其表面缺陷约占90% ，是断裂之源，且同样大小的缺陷，表面缺陷对抗拉强度的影响也要大于内部缺陷。质量好的油剂和合理的上油工序是防止产生表面缺陷的有效手段。油剂是生产高性能聚丙烯腈 ( PAN) 原丝的重要辅剂，对提高碳纤维强度的贡献率为 0.5 ～ 1.0 GPa。进入 21 世纪以来，国产碳纤维迎来了快速发展，自给自足率得到明显提升，已经可以满足普通民用等领域的基本需求。但是我国碳纤维还存在较多问题，例如原丝中金属与非金属等杂质含量高，毛丝多、分纤性差、易粘连、力学性能差、变异系数大等问题，因此制备碳纤维原丝专用油剂是当务之急。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种具有较好浸润性的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特点是：
主要组分由氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油、三元共聚硅油、复合乳化剂及去离子水构成，其制备过程包含以下四个步骤：
1）主剂混合，按比例精确称量氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油及三元共聚硅油及复合乳化剂，一次性加入到搅拌釜中，在恒温作用下搅拌均匀得到组合物A；
2）相反转，在慢速搅拌作用下向组合物A中缓慢滴加去离子水，待粘度明显降低时提高搅拌速度，再一次性加入余下的去离子水，得到有效成分含量为20～40%的碳纤维油剂粗乳液B；
3）过滤，将粗乳液B经过目数为50～300目的过滤网进行过滤，以去除其中较大的颗粒及杂质；
4）均质化，将过滤后的粗乳液B经过均质机的高速剪切，进一步得到粒径更加均匀的微乳液，即得到一种水包油型的水性微乳液，其粒径在50～500nm。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的各组分比例为氨基改性硅油：环氧改性硅油：聚醚改性硅油：三元共聚硅油：复合乳化剂=10～40:5～20：5～10:5～10:10～30。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的氨基改性硅油的氨值在0.3～0.7，25℃粘度在10000～100000cps。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的环氧改性硅油的环氧值在0.05～0.5，25℃粘度在2000～50000cps。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的聚醚改性硅油，25℃粘度在200-2000cps。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的三元共聚硅油，其分子链中同时包含有二甲基硅氧烷链段、环氧基烷基及聚醚链段。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的复合乳化剂为非离子型表面活性剂，可以是聚氧乙烯基类或多元醇类中的一种或两种及以上的混合物。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的搅拌釜带有刮壁装置及高速分散盘，刮壁装置确保油剂各组分投料后都能被充分混合，高速分散盘用于高速剪切以实现相反转过程。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述的相反转过程低速搅拌的速度在10～300RPM，高速搅拌的速度在200～1500RPM。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，均质机的转速在10～3500RPM。
本发明与现有技术相比，该方法具有绿色环保、安全性好、生产效率高、质量稳定等特点，所制备油剂微乳液更适合干喷湿纺工艺，纺丝工艺性及碳化工艺性好，碳纤维具有强度高和离散系数小等优点。本发明能在短时间对原丝进行均匀上油，且在干燥致密化及蒸汽牵伸等阶段不易粘辊，收卷不变形、毛丝量少，具有较好的纺丝工艺性；在预氧化及低温碳化阶段不黏连，毛丝量少，碳化强度高，离散系数小。对丙烯腈原丝具有较好的浸润性，能够快速在纤维表面浸润。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，而不构成对其权利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，
主要组分由氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油、三元共聚硅油、复合乳化剂及去离子水构成，氨基改性硅油主要起到提高浸润性的作用，环氧改性硅油起到提高耐热性作用，聚醚改性硅油起到提高稳定性作用，三元共聚硅油起到改善成模性、柔软及平滑作用。
其制备过程包含以下四个步骤：
1）主剂混合，按比例精确称量氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油及三元共聚硅油及复合乳化剂，一次性加入到搅拌釜中，在恒温作用下搅拌均匀得到组合物A；
2）相反转，在慢速搅拌作用下向组合物A中缓慢滴加去离子水，待粘度明显降低时提高搅拌速度，再一次性加入余下的去离子水，得到有效成分含量为20～40%的碳纤维油剂粗乳液B；
3）过滤，将粗乳液B经过目数为50～300目的过滤网进行过滤，以去除其中较大的颗粒及杂质；
4）均质化，将过滤后的粗乳液B经过均质机的高速剪切，进一步得到粒径更加均匀的微乳液，即得到一种水包油型的水性微乳液，其粒径在50～500nm。
所述的各组分比例为氨基改性硅油：环氧改性硅油：聚醚改性硅油：三元共聚硅油：复合乳化剂=10～40:5～20：5～10:5～10:10～30。去离子水的用量根据要得到的碳纤维油剂粗乳液B中有效成分含量来确定，一般有效成分质量百分比含量控制在20～40%。
所述的氨基改性硅油的氨值在0.3～0.7，25℃粘度在10000～100000cps。
所述的环氧改性硅油的环氧值在0.05～0.5，25℃粘度在2000～50000cps。
所述的聚醚改性硅油，25℃粘度在200-2000cps。
所述的三元共聚硅油，其分子链中同时包含有二甲基硅氧烷链段、环氧基烷基及聚醚链段。
所述的复合乳化剂为非离子型表面活性剂，可以是聚氧乙烯基类或多元醇类中的一种或两种及以上的混合物。
所述的搅拌釜带有刮壁装置及高速分散盘，刮壁装置确保油剂各组分投料后都能被充分混合，高速分散盘用于高速剪切以实现相反转过程。
所述的相反转过程低速搅拌的速度在10～300RPM，高速搅拌的速度在200～1500RPM。
均质机的转速在10～3500RPM。
相对碳纤维原丝湿纺工艺，干喷湿纺工艺具有纺丝速度快，碳化强度高等特点，且原丝表面更光滑，含油量可以做到更低。本发明能在短时间对原丝进行均匀上油，且在干燥致密化及蒸汽牵伸等阶段不易粘辊，收卷不变形、毛丝量少，具有较好的纺丝工艺性；在预氧化及低温碳化阶段不黏连，毛丝量少，碳化强度高，离散系数小。对丙烯腈原丝具有较好的浸润性，能够快速在纤维表面浸润，在150～200℃时快速成膜，成膜强度及自粘性适中，在有氧状态下200～300℃有一定残留量，无氧状态下700～1800℃被完全除掉。

Claims (10)

1.一种干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：主要组分由氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油、三元共聚硅油、复合乳化剂及去离子水构成，其制备过程包含以下四个步骤：
1）主剂混合，按比例精确称量氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油及三元共聚硅油及复合乳化剂，一次性加入到搅拌釜中，在恒温作用下搅拌均匀得到组合物A；
2）相反转，在慢速搅拌作用下向组合物A中缓慢滴加去离子水，待粘度明显降低时提高搅拌速度，再一次性加入余下的去离子水，得到有效成分含量为20～40%的碳纤维油剂粗乳液B；
3）过滤，将粗乳液B经过目数为50～300目的过滤网进行过滤，以去除其中较大的颗粒及杂质；
4）均质化，将过滤后的粗乳液B经过均质机的高速剪切，进一步得到粒径更加均匀的微乳液，即得到一种水包油型的水性微乳液，其粒径在50～500nm。
2.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的各组分比例为氨基改性硅油：环氧改性硅油：聚醚改性硅油：三元共聚硅油：复合乳化剂=10～40:5～20：5～10:5～10:10～30。
3.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的氨基改性硅油的氨值在0.3～0.7，25℃粘度在10000～100000cps。
4.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的环氧改性硅油的环氧值在0.05～0.5，25℃粘度在2000～50000cps。
5.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的聚醚改性硅油，25℃粘度在200-2000cps。
6.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的三元共聚硅油，其分子链中同时包含有二甲基硅氧烷链段、环氧基烷基及聚醚链段。
7.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的复合乳化剂为非离子型表面活性剂，可以是聚氧乙烯基类或多元醇类中的一种或两种及以上的混合物。
8.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的搅拌釜带有刮壁装置及高速分散盘，刮壁装置确保油剂各组分投料后都能被充分混合，高速分散盘用于高速剪切以实现相反转过程。
9.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：所述的相反转过程低速搅拌的速度在10～300RPM，高速搅拌的速度在200～1500RPM。
10.根据权利要求1所述的干喷湿纺原丝用碳纤维油剂的制备方法，其特征在于：均质机的转速在10～3500RPM。
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