[发明专利]丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维及碳纤维制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及目的在于提供高强度碳纤维的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维和碳纤维制备方法。具体地，本发明涉及碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂(下文中有时称为前体整理剂)，其用于制备碳纤维制备用丙烯酸系纤维(下文中有时称为前体)以获得高纤维强度；应用了整理剂的碳纤维制备用丙烯酸系纤维；以及采用整理剂的碳纤维制备方法。

技术背景

碳纤维用作增强复合材料的纤维，所述复合材料包括由于优异的机械性能而通常被称为基体树脂的塑料，并且碳纤维广泛地应用在多种最终用途中，包括航天工业、运动商品工业以及其他普通工业。

制备碳纤维的一般方法包括：制备前体的过程(也称为纤维制备过程)，将该前体在氧化气氛中在200至300℃转化为氧化纤维的过程(后文中有时称为氧化稳定化过程)，以及将氧化纤维在惰性气氛中在300至2,000℃碳化的过程(有时称为碳化过程)。氧化稳定化和碳化过程在后文中有时总体地称为烘焙过程。制备前体的过程包括拉伸步骤，其中将丙烯酸系纤维以比普通丙烯酸系纤维更高的拉伸比拉伸。在拉伸步骤，丙烯酸系纤维易于附着于相邻的纤维线，以高的拉伸比不均匀地拉伸，并且加工成不均匀的前体。这样的不均匀前体造成问题，即，通过烘焙前体而产生所得碳纤维的强度不足。烘焙过程还造成其他问题，即，使单根的前体纤维融合，这降低所得碳纤维的质量和等级。

为了防止单根前体纤维的粘合以及碳纤维的融合，提出了许多对前体施用整理剂的技术(参见专利文献1和2)，并且所述技术广泛地应用于工业中，其中使用在高温具有低的纤维与纤维湿摩擦力以及具有优异的纤维分离能力的硅氧烷整理剂，尤其是包含氨基改性的硅氧烷的整理剂，这种包含氨基改性的硅氧烷的整理剂在纤维上交联而改善纤维的耐热性。然而，那些硅氧烷整理剂有时未能制成具有足够强度的碳纤维。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]JP A 60-181322

[专利文献2]JP A 2001-172879

发明内容

技术问题

基于传统技术和背景，本发明旨在提供能够提供高强度碳纤维的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维以及碳纤维制备方法。

技术方案

硅氧烷整理剂通常分散在水中制成乳液，目的在于将它们均匀地并且在工业工艺中安全地应用于前体。对于自乳化性质差的硅氧烷整理剂，将多种表面活性剂加入该整理剂中作为乳化剂以使那些整理剂成为乳液。

本发明的发明人勤勉工作以解决上述问题，并且发现那些乳化剂在整理剂乳液脱水并完全干燥后常常变得与硅氧烷组分不相容。本发明人还发现，在含有那些硅氧烷组分和乳化剂的硅氧烷整理剂乳液施用于前体并干燥后，这样的硅氧烷组分和乳化剂在前体表面上分离并且在前体表面上得到不均匀的涂层。本发明人进一步发现，该不均匀的涂层是在前体转化为碳纤维的烘焙过程中前体不均匀受热的原因之一，并且也是所得碳纤维的强度不足的原因。

本发明人还发现的是，含有在高温实现低的湿纤维与纤维摩擦力并且对前体纤维赋予优异的分离性能的硅氧烷组分有时导致前体纤维束差的内聚性，这容易导致单根纤维的分离，并随后在前体纤维制备和烘焙过程中造成纤维破裂，从而导致碳纤维在烘焙过程后强度不足。

本发明人由于发现含有特定的改性硅氧烷和表面活性剂作为基本组分的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂能够改善完全干燥的整理剂膜的均匀性和前体纤维束的内聚性，以致解决上述问题，从而完成了本发明。

本发明提供含有环氧-聚醚-改性的硅氧烷和表面活性剂作为基本组分的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，其中，在整理剂的非挥发性组分中，环氧-聚醚-改性的硅氧烷的重量比在1至95重量％的范围内，并且表面活性剂的重量比在5至50重量％的范围内。

环氧-聚醚-改性的硅氧烷应当优选为下列各项：改性二甲基聚硅氧烷，该改性二甲基聚硅氧烷是用同时含有(聚)氧化烯基和环氧基的取代基改性的；或者改性二甲基聚硅氧烷，该改性二甲基聚硅氧烷是用两种不同取代基改性的，所述两个不同取代基是含有环氧基的取代基和含有(聚)氧化烯基的取代基。

环氧-聚醚-改性的硅氧烷应当优选为选自下列化学式(1)和(2)表示的化合物中的至少一种化合物。

[化学式1]

[化学式2]

式(1)和(2)中的每一个符号独立地表示以下含义：

Ep：由下示化学式(3)或(4)表示的环氧基