[发明专利]一种在离子液体中制备高性能碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种高性能纤维纺丝原液的制备方法，具体地说涉及 一种在离子液体中制备高性能碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的方法。

发明背景

碳纤维具有高比模量、高比强度、耐高温、耐腐蚀等优良特性， 已经广泛应用于各个领域。聚丙烯腈基碳纤维是有丙烯腈为主要分子 链结构单元的聚合物经过纺丝再经高温碳化处理而成。

用于制备聚丙烯腈基碳纤维纺丝原液的高聚物聚丙烯腈，按其反 应机理可分为自由基聚合、阴离子聚合、配位聚合等。目前，应用最 多的是自由基聚合，其实施方法有溶液聚合、悬浮聚合、水相沉淀聚 合。其中溶液聚合的方法中，所采用的溶剂包括二甲基甲酰胺DMF、 二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亚砜DMSo、硫氰酸钠NaSCN的浓溶液、 氯化锌溶液和硝酸等。丙烯腈在这些溶剂中的溶液聚合具有聚合体系 粘度低、混合和传热较容易、温度易控制等优点，但是也存在着很多 缺点，如单体浓度低、聚合速率缓慢导致生产能力和设备利用率低， 以及由溶剂引起的分子链转移使得分子量降低和分子量分布变大。特 别是溶剂分离回收所增加的成本，以及对人体健康、环境污染所带来 的危害，不利于高性能聚丙烯腈基碳纤维纺丝原液的制备和发展。

制备分子量高而分子量分布窄的聚丙烯腈基碳纤维纺丝原液一 直是碳纤维原丝制备过程的研究重点。这是因为高的分子量可以提高 聚丙烯腈原丝的强度，而较窄的分子量分布可以使纤维各部分强度分 布均匀，使得纤维力学性能更优良并且能够较少连续生产中的断丝现 象，提高生产效率。

中国专利CN 1536107A公开了一种聚丙烯腈纺丝原液的制备方 法，将丙烯腈与少量的丙烯酸甲酯、衣康酸溶解在49％-54％硫氰酸钠 溶液中进行均相聚合。其制得的聚丙烯腈原丝中含有金属钠离子，从 而导致其碳纤维性能大大降低。

中国专利CN 1401675A公开了采用有机溶剂和水作为聚合介质， 解决了聚合体系不均一、聚合速度慢的问题，但聚丙烯腈的分子量大 小和分子量分布未见明显改变。

日本专利JK.昭63-35819公开了一种采用DMF和水作为聚合介 质，得到重均分子量为80万的聚丙烯腈，分子量分布为3.4，分子 量虽然较大，但是分子量分布仍然偏宽。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种在离 子液体中制备高性能碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的方法，以应对目前 碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液聚合物分子量分布宽、质量稳定性差、反 应速率汗漫以及所用溶剂具有强烈的腐蚀性和挥发性，造成严重的环 境污染。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种在 离子液体中制备高性能碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的方法，其特点是 包括下列步骤：

(1)将丙烯腈二元共聚体系中的单体或丙烯腈三元共聚体系中的 单体依次加入离子液体中，室温溶解，加入引发剂，并通入惰性 气体，进行自由基聚合反应。

所述的离子液体具有以下结构通式：

其中，R1，R2，R3，R4及R5分别为咪唑环上的取代基，各自独立地 选自取代或未取代的1到20个碳原子的脂肪基。X-是选自以下阴离 子：BF₄^-、PF₆^-、Cl^-、CF₃SO₃^-、CF₃COO^-、(CF₃SO₂)₂N^-或(CF₃SO₂)₂C^-的一种。

(2)反应结束后用冰浴停止聚合反应，以水凝固聚合产物并反复进 行水洗烘干纯化后得到聚丙烯腈粉料。

(3)利用二甲基亚砜作为溶剂将上述得到的聚丙烯腈粉料搅拌溶 解，得到高性能碳纤维聚丙烯腈纺丝原液。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实 现，所述的二元共聚体系为丙烯腈和衣康酸的共聚体系，所述的三元 共聚体系为丙烯腈、衣康酸和丙烯酸甲酯的共聚体系。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实 现，所述的引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈；所述的惰性气体 是氮气或氩气。