[发明专利]用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂

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，都要使用纺丝油剂。即通过上油工序，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。在纺丝过程中，希望油剂能快速、均匀在原丝表面铺展。一般来说，分子量越低，氨基聚硅氧烷在原丝表面的铺展越快、越均匀。但是，氨基聚硅氧烷的分子量太低，在预氧化过程中的防粘、隔离效果降低。

使用高分子量的氨基聚硅氧烷可以有效提高纺丝油剂在原丝预氧化过程中的防粘、隔离效果。但是，一方面高分子量的氨基聚硅氧烷很难通过机械乳化方法得到稳定的乳液；另一方面，高分子的氨基聚硅氧烷容易在纺丝和预氧化过程中产生“粘辊”现象，即油剂粘附在油剂干燥辊或者导向辊上，影响纺丝和预氧化的顺利进行。

通过乳液聚合方法可以得到稳定的高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液。相比于高分子量的氨基聚硅氧烷，高分子量的聚二甲基硅氧烷较难交联。但是，如果采用单纯的高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液作为碳纤维纺丝油剂，在碳纤维制备过程中也容易产生“粘辊”现象。

本案发明人发现，如果将低分子量的氨基聚硅氧烷乳液与高分子量的聚二甲基硅氧烷乳液混合，可以得到高性能的碳纤维纺丝油剂。该油剂用于制备碳纤维时，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；同时油剂在原丝预氧化过程中有良好的防粘、隔离效果。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，在原丝预氧化过程中防粘、隔离效果优良的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂；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有机硅纺丝油剂，是将以机械乳化方法制备的、质量浓度在20～40%范围的氨基聚硅氧烷乳液与以乳液聚合方法制备的、质量浓度在30～50%范围的聚二甲基硅氧烷乳液按照一定的比例混合均匀得到的。

所述的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂中，以氨基聚硅氧烷乳液的重量份为基准，优选氨基聚硅氧烷乳液为100重量份，聚二甲基硅氧烷乳液为10～60重量份。

所述的氨基聚硅氧烷乳液中的氨基聚硅氧烷具有如下式（1）或式（2）所示的结构式：

上述氨基聚硅氧烷在20℃时的粘度为50～500厘泊。如果氨基聚硅氧烷的粘度大于500厘泊，将影响油剂在聚丙烯腈原丝表面铺展的均匀性；如果氨基聚硅氧烷的粘度小于50厘泊，将会导致氨基聚硅氧烷难以乳化，也会导致油剂的耐热性太差。上述氨基聚硅氧烷的氨基含量为0.15～0.65mmol/g，氨基含量太高或者太低都会导致纺丝油剂的性能变差。

乳化上述氨基聚硅氧烷所用的乳化剂没有特别限制，只要不含金属离子，并且能够通过机械乳化的方法得到稳定的氨基聚硅氧烷乳液即可。可以使用阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、或者非离子表面活性剂。也可以使用阳离子与非离子表面活性剂的组合，或者阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的组合。其中以非离子表面活性剂为最佳，可使用的非离子表面活性剂如选自脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物等所组成的组中的至少一种。