[发明专利]一种含改性POSS纳米粒子的水性PAN原丝油剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含改性POSS纳米粒子的水性PAN原丝油剂，包括改性硅油、改性POSS纳米粒子、表面活性剂、润滑剂、消泡剂、抗静电剂和去离子水，其中改性硅油的质量分数为15%～40%，改性POSS纳米粒子的质量分数为0.1%～2.0%，表面活性剂的质量分数为3%～15%，润滑剂的质量分数为0.1%～2.0%，消泡剂的质量分数为0.01%～0.5%，抗静电剂的质量分数为0.01%～0.5%，去离子水的质量分数为40%～80%。在原丝生产过程中，加入含改性POSS纳米粒子的水性PAN原丝油剂，能够大幅度提升原丝的性能，使其具有更好的集束性，以及更好的原丝强度和碳纤维强度。

技术领域

本发明主要涉及PAN基碳纤维原丝油剂技术领域，主要是一种含改性POSS纳米粒子的水性PAN原丝油剂及其制备方法。

背景技术

碳纤维因具有高强、轻质、耐疲劳等优异性能，以其为增强材料制备的高性能复合材料已经广泛应用于航空、航天等各类尖端技术领域，成为先进复合材料的主要增强纤维之一。聚丙烯腈（PAN）原丝是碳纤维最重要的一种前驱体。在碳纤维的生产过程中, 原丝是影响产品质量的关键性因素，也就是说只有高性能的聚丙烯腈原丝才能生产出高性能的碳纤维。油剂是生产高性能原丝和碳纤维的重要辅剂。它在原丝表面均匀成膜，既可以防止单丝之间的粘连和并丝，也可以防止在生产过程中纤维表面和辊筒的摩擦和磨损，从而有效的避免纤维表面产生缺陷，是提高原丝和碳纤维性能的有效技术措施之一。

多面低聚倍半硅氧烷（POSS），是一种具有对称性的纳米结构，是典型的有机无机杂化材料。它由三维Si-O-Si短链形成的无机骨架和完全覆盖他的有机取代基组成，即综合了有机组分和无机组分的优越性能，又有两者协同效应产生的新性能。每个POSS粒子都含有一个或者多个有机活性官能团，这些官能团可以进行聚合、接枝、表面键合和其他反应。改性POSS纳米粒子可以溶于溶剂和树脂中，从而确保分子的分散，并且能以化学键合的方式连接到有机链上，使得材料的机械强度和稳定性都得到了很大提高。改性POSS纳米粒子是中空封闭或半封闭的笼子，密度低，气体渗透性好，具有通常纳米离子的小尺寸效应、表面和界面效应，从而表现出特殊的热力学性能。

PAN原丝生产过程中，油剂的使用对PAN原丝的亲水性、集束性、分纤性及原丝毛丝率等有重要的影响。若油剂耐热性差，将导致原丝发粘，造成原丝质量下降，容易造成原丝生产加工过程中起毛、缠绕、断裂，影响最终碳纤维的产品性能。

近年见诸的PAN原丝油剂报道，如专利 CN 201010228253、CN 20110300362、CN20110301144等，均调整改性硅油的类型和乳化剂、助剂的类型来改变油剂的性能，从而提高原丝和碳纤维性能，但性能提高程度有限。如专利 CN 20171105013中，在改性硅油体系中加入特性化合物，特性化合物选自戊基多元醇酯、三羟甲基丙烷油酸酯、蓖麻油聚氧乙烯酯和季戊四醇油酸酯中的一种或者多种，主要用于在高温下生产一种交联网状包覆层，减少工序中摩擦对原丝造成的损伤，但制备过程和运用方式复杂。

碳纤维的缺陷，主要是碳纤维的微孔缺陷和单丝之间的粘着而造成的缺陷和损伤。PAN聚合液进行纺丝后，在温水中进行牵伸，此时原丝具有较高的膨润度，纤维表层存在大量微孔缺陷，在后续的上油工艺中，油剂容易渗入纤维表层及内部，结果在干燥致密化过程中阻碍了微孔的坍塌，结果作为原丝的微孔缺陷在热处理后成为碳纤维的缺陷，因而造成碳纤维存在较多微孔缺陷，从而影响碳纤维的综合性能。以往的技术对于油剂向纤维内部的渗透和浸入都没有能达到满意的效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种含改性POSS纳米粒子的水性PAN原丝油剂及其制备方法，具体技术方案如下：