[发明专利]一种聚丙烯腈基碳纤维的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维制造领域，尤其涉及一种可以制造出品质性能优良的碳纤维，并且对碳纤维的生产过程的通过性有明显改善的聚丙烯腈基碳纤维的制造方法。

背景技术

PAN基碳纤维是以PAN纤维为前驱纤维，经过200～400℃空气等氧化性气氛中加热处理转化为预氧化纤维后，在氮气、氩气等惰性气体的保护气氛下300～2500℃加热碳化而得到的。作为复合材料的加强纤维或者特殊功能材料已经被广泛的应用。

不过，在PAN基碳纤维的工业生产过程中，在前述的预氧化过程以及碳化过程中存在单丝纤维间的软化并丝问题。单丝间并丝的发生，使得其受热程度不均一，并且极易产生毛丝或断丝，不仅对的生产的顺利进行有很大的危害，而且难以得到品质性能优良的碳纤维。

为了防止单丝之间的软化并丝现象，常使用改性聚硅氧烷油剂对原丝进行处理。但是在使用硅油进行长时间的生产时，在原丝制造过程、预氧化过程或碳化过程中，油剂总会有一部分脱离原丝。这些脱落下来的油剂粘附在纤维或者导辊上，会诱发断丝、毛刺等现象，对碳纤维的加工性能产生很大的危害，并且会造成碳纤维的性能低下。

这些油剂的脱落物，在脱离纤维以后，由于周围环境中的热作用或者由于空气中的二氧化碳的影响等有一部分会发生交联固化，粘着在辊筒或导辊上不易脱落，这对于在使用氨基改性硅油为油剂主要成分的时候尤其显著。

这些问题，由于在高性能碳纤维及其原丝的制造过程中，高倍率牵伸以及加热过程中的热作用比以往都要激烈很多，就产生了明显的危害。因此，解决上述问题就显得尤为重要了。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚丙烯腈基碳纤维的制造方法，通过在碳纤维原丝所用油剂中至少含有一种氨改性硅油，并且还有相当于氨改性硅油中氨基0.1～5.0摩尔当量的高级脂肪酸，使用上述油剂在常温下对PAN丝条进行处理，可以解决上述PAN原丝制造过程中的问题。

本发明提供一种聚丙烯腈基碳纤维的制造方法，所述制造方法如下：

步骤一：将PAN共聚体溶于二甲亚砜形成20%的溶液作为纺丝液；

步骤二：通过干湿式纺丝法纺丝，将丝条从浴液下方引出，水洗的同时牵伸得到膨润丝条；

步骤三：将高级脂肪酸的氨改性硅油加入非离子型表面活性剂壬基苯氧基聚氧乙烯醚进行乳化，；

步骤四：保持温度，将油剂循环使用付与膨润丝条，干燥后牵伸并进行预氧化，然后导入碳化炉中，通过氮气保护下碳化，完成制备。

进一步改进在于：所述高级脂肪酸为乙酸、硬脂酸和油酸的混合物，所述乙酸、硬脂酸和油酸的使用量皆可为零。

进一步改进在于：所述步骤一中PAN的含量至少为90%，另外10%为浓度7%以下的乙烯类化合物作为共聚单体，所述二甲亚砜形成20%的溶液在45℃时粘度为600。

进一步改进在于：所述步骤三中高级脂肪酸的使用量为0.2～1.5摩尔当量。

进一步改进在于：所述步骤四中保持温度为25℃，油剂循环使用时上油量为0.7%，干燥后牵伸12倍，在200～280℃空气中进行预氧化。

改性硅油由于发生交联反应而产生三元固化，形成胶状的固化物。对于氨改性硅油这种现象最为明显，而且加热、空气中的氧气等都对其有促进作用。

为了提高乳液的稳定性，一般在氨硅油乳化时会加入相对于氨基0.1～5.0摩尔当量的甲酸或乙酸等低级脂肪酸，这也能够使碳纤维的性能有所提高。不过，单独添加乙酸等虽然会提高乳化稳定性，但是也会促进以后油剂固化的问题。本发明经过研究以后发现，将乙酸等低级脂肪酸改为高级脂肪酸，在保持一定的乳化稳定性的同时，可以防止油剂的固化与脱落，使丝条产生毛丝或产生静电等问题的程度降低。

本发明中使用的高级脂肪酸，是指碳原子数至少在3以上的脂肪酸，碳原子数在10以上效果会更好。这些化合物中可以含有卤素等置换基，但是最好不要有氨基或羟基等可以发生交联的官能团，或者是一个分子中有两个以上的羧基，因为这样会促进油剂的交联固化。

高级脂肪酸可以用己酸、月桂酸、硬脂酸、巴豆酸、油酸、亚油酸、环己酸、安息香酸等饱和或不饱和的单羧酸，采用其中几种进行混用也可以。

高级脂肪酸可以加入到油剂原料，也可以加入到乳化后的油剂，或者是在上油之后再上酸也可以，在油剂乳化时将高级脂肪酸作为乳化稳定剂加入效果最好。为了提高乳化稳定性，可以与乙酸等低级脂肪酸并用。