[发明专利]含有超高分子量聚丙烯腈纺丝原液及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液及其的制备方法和应用，本发明要解决的技术问题是以往技术中采用一步法制备聚丙烯腈纺丝原液时，纺丝原液粘度较小，无法满足高倍牵伸及干喷湿纺工艺的要求；或粘度过大，过滤困难，原丝质量不稳定的问题。本发明通过采用将第一部分溶剂、共聚组分、第一部分引发剂混合后，在与反应物质呈惰性的气体保护下，在30‑50℃下聚合10分钟‑4小时，随后补加第二部分溶剂及第二部分引发剂，在50‑70℃下聚合20‑30小时，得到纺丝液I；纺丝液I经减压脱除残余单体和气泡后，得到所述含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液的技术方案，较好的解决了该问题，可用于碳纤维原丝的工业生产中。

技术领域

本发明涉及一种含有超高分子量聚丙烯腈纺丝原液及其制备方法和应用。

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，被广泛应用于卫星、运载火箭、战术导弹、宇宙飞船等军工行业，已成为航天航空工业中不可缺少的材料。优异的碳纤维用原丝应该具有耐热性高、孔隙构造少、表面缺陷少、结构致密、拉伸性好等特点。

碳纤维的强度跟PAN原丝强度与其伸长的平方根之积有很好的线性依赖关系。研究结果显示,PAN原丝的直径对碳纤维的性能影响显著。PAN基碳纤维(CF)原丝的细旦化和高强化是提高碳纤维性能的主要措施。拉伸是降低纤维线密度、提高强度的必要手段。理想的取向是提高强度的一个重要途径，而提高有序度的方法之一是拉伸取向。要满足后续纺丝高倍拉伸的要求，特别是适用于干喷湿纺要求的话，纺丝原液则需要具备以下几个特点：(1)纺丝原液高浓度，纺丝原液固含量要高于20％，高固含量的的原液在凝固过程中凝固剂水的扩散速度变慢，容易制得致密的凝固丝条和密度高的原丝。(2)分子量高、分子量分布窄的纺丝原液可制得高强度纤维，分子量愈大，分子链末端数目愈少，引发缺陷的概率大大下降。(3)较高粘度的纺丝原液。

高固含量、高分子量的纺丝原液能够保证PAN原丝具有高性能的重要方法，但随着PAN相对分子质量的提高，同时也加重了分子链间的缠结，粘度太大一方面会使聚合所需搅拌功率增大，增加设备能耗，另一方面聚合反应属于放热反应，如果粘度太大体系不容易散热，就会使得体系反应温度不均匀而产生凝胶，反应过程也不易控制，同时导致纺丝难度增大，在后续纺丝工序中对于喷丝板的耐压性等有很大的影响。用偶氮二异庚腈作为丙烯腈自由基聚合反应得引发剂，可有效避免氧化等副反应、支化和交联等不良结构的产生，长春应用化学研究所用二甲基亚砜作为溶剂，用偶氮二异庚腈引发丙烯腈与共聚单体聚合，所得的共聚物分子量在10-90万之间，分子量分布2.3以下(专利号200710056083.6)，但是这种体系所得的纺丝原液分子量太大，同时纺丝过程中，体系黏度太大，不易控制聚合过程，可纺性相对比较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是以往技术中采用一步法制备丙烯腈共聚物时，一般分子量的聚丙烯腈原液，纺丝原液粘度较小，无法满足纺丝时高倍牵伸的要求，无法满足干喷湿纺工艺的要求；超高分子量的聚丙烯腈原液，粘度过大，过滤困难，纺丝不稳定；两步法制备含有超高分子量聚丙烯腈纺丝原液时，溶解过程不易控制，容易产生凝胶，且超高分子量组分只能控制在很小的范围内的问题，提供了一种含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液的制备方法，该方法中原液由溶液一步法聚合，含有超高分子量共聚组分及普通分子量共聚组分，具有能够适用于高倍牵伸，并保持适合纺丝的原液粘度，从而可以得到高致密性、高强度、高模量碳纤维原丝的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种由解决技术问题之一所述方法制备得到的含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种由解决技术问题之一所述方法制备得到的含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液在制备碳纤维原丝中的应用。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种含有超高分子量丙烯腈共聚物纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：