[发明专利]多元氨化聚丙烯腈基碳纤维纺丝液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，具体是一种多元氨化的聚丙烯腈基碳纤维纺丝液及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种碳含量大于90%的高强度特种纤维，由于其具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，被广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域和国民经济建设的众多领域。高性能碳纤维的主要原料是聚丙烯腈基原丝，聚合是制备原丝的第一步，高质量的聚合液是制备高性能原丝的前提，调整聚合共聚单体的特性，提高纺丝液的亲水性，可以改善原丝的致密性，优化原丝的形态结构，进而制备出高性能的碳纤维。

目前，国内制备聚丙烯腈纺丝液通常采用丙烯腈作为主单体，丙烯酸甲酯和衣康酸作为共聚单体。丙烯酸甲酯可降低聚丙烯腈大分子间的内聚能，提高纺丝液的可纺性，同时由于酯基的体积效应，可以在预氧化过程中增强氧渗透能力，减缓或消除皮芯结构的形成；衣康酸可以降低反应活化能,促进环化和交联,缓和预氧化放热反应,制备均质的预氧丝，但是衣康酸的亲水性并不太好，因此，为了提高纺丝液的亲水性，需要对衣康酸进行改性。

在专利号为200510016572.X和CN200710056082.1的专利中，中国科学院长春应用化学研究所提出了两种高性能聚丙烯腈基碳纤维的高亲水性纺丝液及制备方法，他们在两种方案的聚合过程中分别采用了衣康酸、β-衣康酸酰胺作为共聚单体或乙烯基咪唑盐、衣康酸、丙烯酸和甲基丙烯酸作为共聚单体，两种方案都是通过采用不同的聚合单体，在聚合体系中引入了酰胺基等亲水性基团，制备高亲水性碳纤维纺丝液，最终制备具有规整圆形截面、强度高的原丝及碳纤维，但该两种方法所采用的共聚单体的制备过程复杂或所需共聚单体种类繁多，不适用于低成本、高效率的大规模工业化制备。在专利号为CN200510012581.1和CN201010598880.9的专利中，中国科学院山西煤炭化学研究所提出了一种三元共聚高亲水性的聚丙烯腈纺丝原液的制备方法，他们在聚合反应过程中以连续速度投入丙烯酰胺溶液，从而提高纺丝液的亲水性，改善聚合物纺丝性和原丝的氧化性，但是该方法聚合操作繁琐，并且以丙烯酰胺作为聚合单体，在聚合反应过程中容易形成凝胶，对聚合反应工艺控制条件要求苛刻。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种多元氨化的聚丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法。

本发明所述的二元氨化聚丙烯腈基碳纤维纺丝液包括聚合物单体，并以二甲基亚砜为溶剂，以偶氮二异丁腈为引发剂；聚合物单体占溶液总重量的百分比为20～22%；偶氮二异丁腈的用量为单体总量的重量百分比0.75%～0.9%。

所述的聚合物单体或者是丙烯腈和衣康酸，或者是丙烯腈、衣康酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，或者是丙烯腈、丙烯酸甲酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸；所述的衣康酸、偶氮二异丁腈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸均为固态；

当以丙烯腈和衣康酸为聚合物单体时，丙烯腈:衣康酸的重量百分比为97～98.0:3.0～2.0；

当以丙烯腈、衣康酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为聚合物单体时，丙烯腈:衣康酸:2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的重量百分比为97.5～98.0:1.5～2.0:0.5；

当以丙烯腈、丙烯酸甲酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸为聚合物单体时，丙烯腈:丙烯酸甲酯：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：衣康酸的重量百分比为97.0～98.0:0.75～1.5:0.25～0.5:1.0。

本发明还提出了一种所述二元氨化聚丙烯腈基碳纤维纺丝液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称取物料：将占总重量80％的二甲基亚砜溶剂分为4份；按配比称量各物料；取2份二甲基亚砜溶剂，分别用于溶解固态单体衣康酸和引发剂偶氮二异丁腈；将称量好的固态单体衣康酸和引发剂偶氮二异丁腈分别充分溶解在所述的2份二甲基亚砜溶剂中，得到衣康酸的二甲基亚砜溶液和偶氮二异丁腈的二甲基亚砜溶液；

步骤2，氨化改性；将氨水加入到衣康酸的二甲基亚砜溶液中进行氨化，得到氨化改性后的衣康酸的二甲基亚砜溶液；所述氨化改性后的衣康酸的二甲基亚砜溶液的氨化度为15％；按照占衣康酸上羧基含量的摩尔百分比为15％的用量计算所需要加入的氨水重量；