[发明专利]一种氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷的制备方法

说明书

本发明提供了一种氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷的制备方法。所述方法包括如下步骤：将氰烃基硅烷水解得到氰烃基硅烷水解物，氰烃基硅烷水解物与聚醚硅油、环硅氧烷在惰性气体保护下，加入碱催化剂，在80~130℃进行反应；制得所述氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷；所述氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷中氰基含量为0.05~5mmol/g，所述聚醚硅油的分子量为500~100000，聚醚硅油中EO数为3~100，PO数0~40。由所述方法制备的氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷可以用作生产高性能碳纤维的助剂。具体是可以作为碳纤维生产的硅类油剂，其能有效润湿纤维表面，降低纤维间、纤维与导辊的摩擦，减少了因摩擦引起的表面缺陷和静电累积，有效防止前体纤维在预氧化和低温炭化阶段的热熔粘接。

技术领域

本发明属于化工领域，具体涉及一种氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷的制备方法以及由所述方法制备的氰烃基、聚醚共改性聚硅氧烷及其应用。

背景技术

碳纤维是一种具有独特性能的军民两用的工业材料，比金属、塑料有更好的比强度和比模量，用碳纤维生产的复合材料由已广泛用于航天、航空、运动器材、电力叶片、压力容器、汽车等领域。航空航天、电缆等领域对于碳纤维的强度和模量的要求日益提高，同时，对于碳纤维生产的稳定化的要求也越来越高。

现在产业化生产碳纤维最普遍的方法如下：将包含PAN系纤维的碳纤维前体纤维束在200~400℃的氧气氛围中，加热处理为预氧化纤维，然后在300~700℃，700~1500℃以上温度的惰性气氛下加热炭化，生成碳纤维。

在将碳纤维前体纤维加热制成预氧化纤维的过程中，PAN线型分子发生大分子链内环化和链间交联，由线型分子转化为梯形结构，在200~300℃释放出二氧化碳、一氧化碳、氢气、氢氰酸并伴有大量反应热。PAN原丝导热性差，纤维内部的反应热难以瞬间排走，纤维内部的温度超过聚丙烯腈的熔点，导致纤维单丝间发生熔并。

碳纤维前体纤维预氧化过程和后续的炭化过程中需经过许多的导辊，在牵伸过程中，纤维间的摩擦，纤维与导辊间的摩擦会增加表面缺陷，产生的静电难以消除，会造成毛丝、断丝等影响生产效率的问题。

为解决上述问题，在PAN系纤维的碳纤维前体纤维束干燥致密化之后，将其浸入油剂或油剂的水分散液中，然后烘干，使油剂快速渗透进入原丝丝束内，润湿PAN纤维表面并填补表面的孔洞，掩盖裂纹等缺陷，降低纤维间、纤维与导辊的摩擦，减少了因摩擦引起的表面缺陷。由于纤维间有硅油层隔离，降低了纤维间的静电累积，改性硅油及其乳液中的氨基、聚氧乙烯等基团的存在，使纤维间产生的静电可快速逸散，提高了纤维的集束性，降低了毛丝或绕辊，有利于连续稳定生产。

针对上述问题，已公开多个在PAN系纤维表面赋予耐热性好的硅类油剂的方法。

例如，有公开使用氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油乳化制成的乳液型油剂。但是该类油剂难以在纤维束内部单丝表面形成均匀保护膜，难以生产出性能稳定的高性能碳纤维，在预氧化和炭化阶段硅类油剂易分解形成高粘物，高粘物会使纤维间、纤维束间发生缠绕，导致毛丝、断丝等降低生产效率的问题。

此外，硅类油剂在低温炭化炉如果不能分解完全并排出，残余的硅类油剂会在炭化阶段生成碳化硅、氮化硅等化合物，这些与碳纤维表面摩擦会加剧纤维表面缺陷，降低生产出来的碳纤维的强度。

现有技术中，为了克服硅类油剂的缺陷，技术人员希望通过方案的改变进一步降低碳纤维处理用油剂所含硅含量，提出了采用耐热树脂制成的油剂；或者是耐热树脂与硅油混合，以耐热树脂替代部分硅油；或者是采用多元醇酯/聚醚共改性硅油乳化制成油剂。然而，单独由耐热树脂制得的油剂所处理的碳纤维前体纤维集束性差，不适合高速制备碳纤维。耐热树脂与硅油混合制备的乳液，由于其硅油和酯类化合物相容性存在差异，其乳液无法在碳纤维前体纤维表面形成均匀稳定的保护膜，无法得到性能稳定的碳纤维。多元醇酯/聚醚共改性硅油乳化制得的油剂，由于具有三个酯基的化合物难以保证前体纤维在预氧化阶段的集束性，而且，多元醇酯/聚醚共改性硅油由于其耐热性较低，无法完全抑制预氧化和低温炭化阶段的纤维间粘接。