[发明专利]用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备高性能碳纤维的纺丝油剂，特别涉及用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂，以及该有机硅纺丝油剂的制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维由于比重小、比强度高而被广泛应用于航空、航天、运动和休闲娱乐等领域。碳纤维制备的工艺过程流程长，工艺复杂。简单的说，聚丙烯腈基碳纤维的制备包括以下的过程：聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化。在预氧化和低温碳化过程中，由于工艺温度比较高，如果不对表面加以处理，聚丙烯腈原丝会发生融合、粘连、并丝现象。从而导致最终得到的碳纤维毛丝多，有并丝，影响碳纤维的强度和使用性能以及碳纤维的正常生产。因此，在制备碳纤维原丝的过程中，一般都有上油的工艺，即将纺丝油剂附着在聚丙烯腈原丝的表面。在预氧化和低温碳化过程中，油剂发挥防粘、隔离的作用，从而抑制原丝间的融合、粘连、并丝，使预氧化和低温碳化能够顺利进行，从而提高碳纤维的强度和品质。

由于有机硅高分子具有优良的防粘、隔离、润滑和耐高温性能，以有机硅为主要组分的有机硅油剂是高性能碳纤维制造专用油剂的主要选择。使用功能基改性聚二甲基硅氧烷为基础的纺丝油剂有很多国外专利报道，制造高性能碳纤维所用的纺丝油剂几乎全部以功能基改性聚硅氧烷为主要组分。目前国内外碳纤维制造厂家广泛使用的碳纤维油剂的主要成分一般也都是功能基改性聚硅氧烷，其中使用最多的是氨基改性聚硅氧烷，它们以水乳液的形式被使用，包含适当的乳化剂和其它助剂。

功能基改性聚硅氧烷的结构，包括分子量、功能基类型及含量等对油剂的性能有很重要的影响。而乳化体系的结构和用量、功能性助剂(抗氧剂、润湿剂等)对油剂的性能也有非常重要的影响。科学、合理地组合各个组份才能得到高性能的碳纤维纺丝油剂。

在纺丝过程中，在油剂上到原丝表面后，接着进行烘干，油剂在原丝表面形成油膜。本发明人发现，油剂形成的油膜越均匀，防粘、隔离、分散效果越好。油膜的均匀性与改性聚硅氧烷和乳化剂的结构密切相关。选用合适结构的改性聚硅氧烷和乳化剂，可以形成宏观上均匀的油膜。但是一般所使用的氨基改性聚硅烷和乳化剂的相容性较差，水分干燥后很难形成均匀的油膜。如果在油剂中部分使用聚醚改性聚硅氧烷，并选用合适结构的表面活性剂，油剂就能够形成比较均匀的油膜，同时油膜在预氧化过程中也能保持比较均匀。因此原丝的分散性、集束性好；油剂在预氧化和低温碳化过程中防粘、隔离效果好。最终得到的碳纤维毛丝少，强度高。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在聚丙烯腈原丝表面形成均匀油膜的有机硅纺丝油剂；使用本发明的有机硅纺丝油剂，制备的聚丙烯腈基碳纤维毛丝少，强度高。

本发明的再一目的在于提供一种用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂的制备方法。

本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的具有低表面张力的有机硅纺丝油剂，主要是由有效成分与水配制成的质量浓度在15～45％范围的乳液；以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，所述有效成分的组分及含量为：氨基聚硅氧烷为100重量份，聚醚改性聚硅氧烷为15～100重量份(优选为30～60重量份)，长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚类乳化剂为25～200重量份(优选为50～100重量份)，受阻酚类抗氧剂为0.5～10重量份(优选为1～5重量份)。

所述的乳液的平均粒径约为30～500纳米。

本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的具有低表面张力的有机硅纺丝油剂中还可以根据实际需要，选择性添加抗静电剂、消泡剂、乳液防霉剂等组分中的一种或几种。

所述的氨基聚硅氧烷优选是具有如下式(1)或式(2)所示的结构式：

其中：m＝50～1000，n/m＝0.005～0.05。m如果小于50，用所制备的油剂纺制的原丝的集束性变差；m如果大于1000，一方面难以得到稳定的纺丝油剂乳液，另一方面，油剂在使用过程中会发生“粘辊”现象，即油剂粘附在油剂干燥辊上，影响纺丝的顺利进行。n/m如果小于0.005，难以得到稳定的有机硅油剂乳液；n/m如果大于0.05，油剂的耐热性不好，原丝在预氧化过程中容易发生粘连。

所述的聚醚改性聚硅氧烷优选是具有如下式(3)所示的结构式：