CN115787147B - 一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂及其制备方法，涉及碳纤维原丝油剂技术领域。其中，聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油45‑65份、氨基酸型两性表面活性剂10‑15份、水分散聚氨酯4‑6份、丙烯酸脂3.5‑5份、阴离子型抗静电剂5‑10份和其它助剂2‑5份。本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂提高了对纤维的集束性、耐热性以及抗粘性能，进一步解决了碳纤维原丝油剂在烘干工序段粘辊问题，减少了碳纤维断丝的产生。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维原丝油剂技术领域，特别涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂及其制备方法。
背景技术
碳纤维主要由碳元素组成，具有耐高温、抗摩擦、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软，可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。现在碳纤维的主要产品有聚丙烯腈基，沥青基及黏胶基3大类，每一类产品又因原纤维种类、工艺及最终碳纤维性能等不同，又分成许多品种。
聚丙烯腈基碳纤维由于机械强度高而得到广泛应用。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。
然而，目前市场上大多数的碳纤维原丝用油剂中乳化剂用量大，造成油剂在使用过程中耐热性差的问题，该缺点也限制了生产工艺的优化。
发明内容
为解决背景技术提到的目前市场上大多数的碳纤维原丝用油剂中乳化剂用量大，造成油剂在使用过程中耐热性差的问题，本发明提供的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，具有良好的耐热性，热稳定性好。
具体方案为：
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油45-65份、氨基酸型两性表面活性剂10-15份、水分散聚氨酯4-6份、丙烯酸脂3.5-5份、阴离子型抗静电剂5-10份和其它助剂2-5份。
在实施上述实施例时，优选地，所述硅油为聚醚改性聚二甲基硅氧烷、环氧改性聚二甲基硅氧烷和羟基改性聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
在实施上述实施例时，优选地，所述氨基酸型两性表面活性剂为十二烷基氨基丙酸钠或十二烷基二亚甲基氨基二甲酸钠。
在实施上述实施例时，优选地，所述水分散聚氨酯和所述丙烯酸脂的比例为1:1。
在实施上述实施例时，优选地，所述阴离子型抗静电剂为烷基磺酸钠或二硫代氨基甲酸钠。
在实施上述实施例时，优选地，所述助剂包括抗氧化剂和消泡剂。
在实施上述实施例时，优选地，所述抗氧化剂为亚磷酸三苯酯、亚磷酸双酚A酯和次亚磷酸钠中的一种或多种。
在实施上述实施例时，优选地，所述消泡剂为异戊醇、二异丁基甲醇、磷酸三丁酯、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
本发明还提供上述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其步骤包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60-70℃后保温0.5-1h，添加水性引发剂后，保温1–1.5h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂和其它助剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
在实施上述实施例时，优选地，步骤一中所述水性引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的原料组分中添加水分散聚氨酯和丙烯酸脂接枝聚合获得水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物，通过两个组分的协同配合作用，具有良好的粘结性能的同时，还具有良好的耐高温性能，从而提高了油剂的耐热性能，耐热残留质量分数比现有技术所有提高取得了较好的技术效果。
2、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的原料组分中采用甜菜碱型两性表面活性剂，能够起到良好的乳化性和分散性作用；并且原料组分中阴离子抗静电剂，通过通过甜菜碱型两性表面活性剂与阴离子的协同作用，使油剂具有更为优异的抗静电性，远优于二者抗静电性普通叠合的效果。季铵盐改性聚醚硅油，提高了油剂的亲水性、对纤维表面的附着力以及抗静电性能，无需额外添加聚季铵盐等抗静电剂。引入合适的大分子量环氧硅油。
3、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂提高了对纤维的集束性、耐热性以及抗粘性能，进一步解决了碳纤维原丝油剂在烘干工序段粘辊问题，减少了碳纤维断丝的产生。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。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。
实施例和对比例的试剂说明如下：
硅油：聚醚改性聚二甲基硅氧烷，湖北诚丰化工；
氨基酸型两性表面活性剂：十二烷基氨基丙酸钠，湖北玖丰隆化工；
水分散聚氨酯：青岛晟实新材料；
丙烯酸脂：山东聚汇化工；
阴离子抗静电剂:烷基磺酸钠，济南圣丰；
抗氧化剂:亚磷酸三苯酯，济南铭宇化工；
消泡剂:异戊醇，山东新琪化工。
需要说明的是，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油45份、氨基酸型两性表面活性剂15份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂5份、阴离子型抗静电剂10份、抗氧化剂0.5份和消泡剂4.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至70℃后保温0.5h，添加水性引发剂后，保温1.5h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
实施例2
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂10份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂5份、阴离子型抗静电剂10份、抗氧化剂0.5份和消泡剂4.5份份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
实施例3
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂15份、水分散聚氨酯4份、丙烯酸脂5份、阴离子型抗静电剂10份、抗氧化剂0.5份和消泡剂4.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
实施例4
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂15份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂3.5份、阴离子型抗静电剂5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
对比例1
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂15份、丙烯酸脂3.5份、阴离子型抗静电剂5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加丙烯酸脂、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
对比例2
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂15份、水分散聚氨酯6份、阴离子型抗静电剂5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
对比例3
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、氨基酸型两性表面活性剂15份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂3.5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
对比例4
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂3.5份、阴离子型抗静电剂5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
对比例5
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油65份、聚醚多元醇表面活性剂15份、水分散聚氨酯6份、丙烯酸脂3.5份、阴离子型抗静电剂5份、抗氧化剂0.5份和消泡剂1.5份。
制备方法包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60℃后保温1h，添加水性引发剂后，保温1h，降温出料，得到水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加聚醚多元醇表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物、阴离子型抗静电剂、抗氧化剂和消泡剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂。
验证实验:
1、耐热性测试:采用挥发减量法测定，即将油剂放在430℃的烘箱中2h，测定其余重；
2、抗静电测试:
3、运行状态测试:观察是否有粘辊和断丝现象；
其测试结果如表1所示:
根据表1的测试结果可知:
对比例1和对比例2的油剂耐热性均劣于实施例1-4，经分析发现，对比例1的组分中缺少水分散聚氨酯，对比例2的组分中缺少丙烯酸脂，两个对比例组分中均无水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物，由此可知水分散聚氨酯/丙烯酸脂接枝聚合物对于提高油剂耐热性具有重要意义。
对比例3、对比例4和对比例5的比电阻值均大于实施例1-4，表明其抗静电性比实施例1-4差，经过分析发现，对比例3的组分中缺少阴离子抗静电剂，对比例4的组分中缺少氨基酸型两性表面活性剂，对比例5的组分中用聚醚多元醇表面活性剂替代了氨基酸型两性表面活性剂，由此可知，阴离子抗静电剂和氨基酸型两性表面活性剂两者的协同作用对于提高抗静电有着重要作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，其步骤包括:
步骤一、将水分散聚氨酯和丙烯酸酯混合，升温至60-70℃后保温0.5-1h，添加水性引发剂后，保温1-1.5h，降温出料，得到水分散聚氨酯／丙烯酸酯接枝聚合物；
步骤二、按比例往硅油中添加氨基酸型两性表面活性剂，混合均匀，添加水分散聚氨酯／丙烯酸酯接枝聚合物、阴离子型抗静电剂和其它助剂，搅拌混合，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂；
其中，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂，以重量份数计，其原料组分包括:硅油45-65份、氨基酸型两性表面活性剂10-15份、水分散聚氨酯4-6份、丙烯酸酯3.5-5份、阴离子型抗静电剂5-10份和其它助剂2-5份。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述硅油为聚醚改性聚二甲基硅氧烷、环氧改性聚二甲基硅氧烷和羟基改性聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述氨基酸型两性表面活性剂为十二烷基氨基丙酸钠或十二烷基二亚甲基氨基二甲酸钠。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述水分散聚氨酯和所述丙烯酸酯的比例为1:1。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述阴离子型抗静电剂为烷基磺酸钠或二硫代氨基甲酸钠。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述助剂包括抗氧化剂和消泡剂。
7.根据权利要求6所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述抗氧化剂为亚磷酸三苯酯、亚磷酸双酚A酯和次亚磷酸钠中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，所述消泡剂为异戊醇、二异丁基甲醇、磷酸三丁酯、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝用的油剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述水性引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
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