[发明专利]用于制备聚丙烯腈基碳纤维的具有低表面张力的有机硅纺丝油剂

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具有低表面张力的有机硅纺丝油剂。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维由于机械强度高而被广泛应用于航空、航天、运动和休闲娱乐等领域。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、碳化。在预氧化过程中，由于温度比较高(250～300℃)，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。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都是氨基聚硅氧烷，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。

氨基聚硅氧烷的结构，包括分子量、氨基含量等对最终油剂的性能有很重要的影响。而乳化体系的选择和含量、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，希望油剂能快速、均匀在原丝表面铺展。因此要求油剂有较低的表面张力。用常用的表面活性剂，如脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯等，所制备的油剂的表面张力一般在29～33dyn/cm。由于聚丙烯腈原丝的表面张力约为44dyn/cm，29～32dyn/cm的表面张力基本能保证油剂在原丝表面的铺展。本发明人发现，如果在油剂中的表面活性剂部分使用三硅氧烷表面活性剂，可使油剂的表面张力降低至20～25dyn/cm，油剂能更快速、更均匀地渗透到纤维与纤维的间隙中，并均匀地分散到原丝的表面。因此原丝的分散性、集束性好，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一种能快速、均匀地铺展到聚丙烯腈原丝表面的，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；使用本发明的有机硅纺丝油剂，制备的碳纤维毛丝少，强度高。

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，为有效成分与水配制成的质量浓度在15～45％范围的乳化液；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，三硅氧烷表面活性剂为10～25重量份，聚氧乙烯磷酸酯为10～50重量份(优选为20～40重量份)，脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚为20～150重量份(优选为50～100重量份)，抗氧剂为0.5～10重量份(优选为1～5重量份)。

所述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的表面张力为20～25dyn/cm。

所述的乳化液的平均粒径约为50～500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，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。

所述的三硅氧烷表面活性剂具有如下式(3)所示的结构式：

其中：R＝H或CH₃；n＝6～20，较佳的n＝10～15。三硅氧烷表面活性剂的用量为10～25重量份。如果用量小于10重量份，表面张力不能降低至25dyn/cm以下；当用量达到25重量份后，继续增加用量不会进一步使油剂降低表面张力。