[发明专利]聚丙烯腈基碳纤维原液的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原液的制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基（PAN）碳纤维是20世纪60年代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。

文献CN200710056346.3公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，以过硫酸铵-亚硫酸铵或亚硫酸氢铵为引发体系的水相悬浮共聚制备聚丙烯腈基碳纤维原丝，用分子量为8～10万的聚合物为原料，在-18～0℃用二甲基乙酰胺作为溶剂制成含固量16～20wt%淤浆，并抽真空至40～95KPA，在40～55℃时溶解1～2小时，制成纺丝原液。该方法在制备纺丝原液过程中，采用-18～0℃的较低操作温度，需要设置专门冷冻机提供冷量，存在设备投资高、公用工程消耗多的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术存在设备投资高、公用工程消耗多的问题，提供一种新的聚丙烯腈基碳纤维原液的制备方法。该方法具有设备投资低，公用工程消耗少的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈基碳纤维原液的制备方法，包括以下步骤：

a）将聚丙烯腈粉末在操作温度为T₁=15~95℃条件下，用溶剂Ⅰ进行溶解制成淤浆；其中，溶剂Ⅰ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比为（1~5）：1；

b）在操作温度为T₂=30~99℃条件下，将溶剂Ⅱ与淤浆相接触，制成所述聚丙烯腈基碳纤维原液；其中，溶剂Ⅱ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅱ与淤浆的重量比为（1~5）：1。

上述技术方案中，溶剂Ⅰ的重量百分比浓度为10~45%，溶剂Ⅱ的重量百分比浓度为35~75%。优选方案为溶剂Ⅰ和溶剂Ⅱ是相同的化合物。T₁优选范围为20~90℃，更优选范围为25~85℃，最优选范围为30~70℃。T₂优选范围为35~95℃，更优选范围为40~90℃，最优选范围为60~80℃。溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比优选范围为（1~4）：1，溶剂Ⅱ与淤浆的重量比优选范围为（1~4）：1。本发明方法优选方案为T₂≥T₁，更优选方案为（T₂-T₁）≥10~30℃。聚丙烯腈粉末的分子量优选范围为8~10万。

聚丙烯腈粒子含有强极性的氰基，因此聚合物分子链有平行排列的趋向，形成结晶结构，使溶解性降低。本发明方法中，首先聚丙烯腈与溶剂Ⅰ（硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠、硫酸钠等5种溶液之一）先进行低温分散，制成淤浆，使溶剂Ⅰ扩散到聚合体每个颗粒的周围。然后，聚合物分散淤浆与溶剂Ⅱ一起在较高温度下进入溶解基，高温使K^＋或Na^＋离子迅速进入聚合体的晶体结构，与CN^-基结合，破坏了聚合物分子之间的联结而溶解，形成纺丝原液。采用本发明方法，与现有技术相比，不需要冷冻设备，也不需要抽真空设备，具有设备投资低的特点。此外，由于不需要冷冻机提供冷量，也不需要抽真空设备，而加热所需的热量可充分利用化工厂多余的废蒸汽或废热水，所以可以使电力消耗降低70%，取得了较好的技术效果。

下面通过实施例对本发明作进一步阐述。

具体实施方式

【实施例1】

分子量为10万的聚丙烯腈物料与浓度为20%硫氰酸钾物料（溶剂Ⅰ）在T₁=30℃条件下混合，调配成淤浆；硫氰酸钾物料与聚丙烯腈物料的重量比为3：1。然后，淤浆在T₂=70℃条件下与浓度为60%硫氰酸钾物料（溶剂Ⅱ）混合溶解；硫氰酸钾物料与淤浆的重量比为2：1。最后，经压滤、过滤后得到聚丙烯腈基碳纤维原液。

整个过程不需要冷冻机提供冷量，也不需要抽真空设备，而加热所需的热量为利用化工厂多余的废蒸汽。用本发明方法制得的聚丙烯腈基碳纤维原液制成的原丝，其技术指标与现有技术相同。

【实施例2】

同【实施例1】，只是溶剂Ⅰ和溶剂Ⅱ为硫代硫酸钠溶液，溶剂Ⅰ的浓度为25%，溶剂Ⅱ的浓度为50%。