[发明专利]用于生产基于聚丙烯腈的聚合物的均相溶液的方法

说明书

本披露涉及一种用于生产包含溶解的基于聚丙烯腈的聚合物的均相溶液的方法，以及一种适用于该方法的体系。通过本文所述的方法生产的均相聚合物溶液可以用于生产碳纤维、典型地用于制造复合材料的碳纤维。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月29日提交的美国临时申请号62/825,894的优先权，将所述申请的全部内容通过此援引明确并入本申请。

技术领域

本披露总体上涉及生产基于聚丙烯腈的聚合物溶液。所生产的基于聚丙烯腈的聚合物溶液可以用于生产碳纤维、典型地用于制造复合材料的碳纤维。

背景技术

碳纤维因为其令人希望的特性如高强度和刚度、高耐化学性和低热膨胀已被用于各种应用中。例如，碳纤维可以形成为结合高强度和高刚度同时具有比具有等效特性的金属部件显著更轻的重量的结构零件。碳纤维正在越来越多地被用作用于尤其航空航天和汽车应用的复合材料中的结构部件。特别地，已经开发了其中碳纤维充当树脂或陶瓷基质中的增强材料的复合材料。

来自丙烯腈的碳纤维总体上是通过一系列制造步骤或阶段来生产的，这些步骤或阶段包括聚合反应、纺丝、拉制和/或冲洗、氧化和碳化。聚丙烯腈(PAN)聚合物目前是最广泛使用的用于碳纤维的前体。通常，可以在溶剂中制备PAN聚合物，该聚合物可溶于该溶剂中，由此形成溶液(典型地被称为纺丝“原液”)，该溶液即用于纺丝成前体纤维。可替代地，可以在介质中、典型地在水性介质中制备PAN聚合物，所得的聚合物在该介质中微溶或不溶。这种聚合物将被分离并且被加工成合适的形式，用于生产将纺丝成前体纤维的纺丝原液。

理想地，纺丝溶液应含有高浓度的所期望PAN聚合物，并且是均匀的且无凝胶的。然而，通过将固体的基于聚丙烯腈的聚合物与溶剂以足以实现在工业规模上生产碳纤维的方式组合来形成这种溶液是具有挑战性的。取决于溶剂，聚合物颗粒在与溶剂接触时具有彼此粘附从而形成团聚体的趋势，这是不期望的。一些溶剂，例如二甲基亚砜(DMSO)是PAN的有效溶剂，使得甚至在室温下，即大约20℃，PAN聚合物的粉末颗粒在DMSO存在下彼此粘附形成团聚体，并且除了过早地增加体系的粘度之外，还形成难以溶解到溶剂体中的凝胶和聚结块。凝胶和不溶性团聚体的形成因此导致工业过滤器快速堵塞、喷丝嘴频繁更换等其他问题，这些问题不适合工业工艺，尤其是连续工艺。

美国专利号4,403,055和9,296,889总体上披露了向DMSO中添加水以降低其针对聚合物的溶解能力。然而，这种方法具有显著的缺点：需要在真空下加热以去除相关量的水，从而需要长时间和高能量消耗。

在固体聚合物与液体溶剂混合期间，通过在低温(例如，温度在从-5℃至10℃的范围内)下操作来限制聚合物在溶剂中的溶解是可能的。然而，在DMSO的情况下，由于DMSO的高熔点(18.5℃)，不能使用这种方法。在仅略低于室温的温度下，DMSO典型地是固相。美国专利号4,324,707披露了在低温(低于18℃，DMSO的冰点)下用DMSO处理聚丙烯腈聚合物以降低溶解动力学，但提供的是聚丙烯腈聚合物的自由流动颗粒和DMSO，而不是聚丙烯腈聚合物的溶液。

因此，持续需要用于生产透明、无团聚和/或无凝胶的基于聚丙烯腈的聚合物溶液的方法，这些聚合物溶液具有高固体浓度，用于生产碳纤维，例如在工业环境中用于制造复合材料的碳纤维。

发明内容

本披露的目的是提供用于生产不含凝胶和/或团聚的聚合物的均相溶液的方法，并且这些方法适用于在工业工艺中，特别是连续工艺中生产碳纤维，例如用于制造复合材料的碳纤维。

这一目的以及将从以下详细说明变得明显的其他目的通过本披露的方法的全部或部分来实现。

在第一方面，本披露涉及一种用于生产包含溶解的基于聚丙烯腈的聚合物的均相溶液的方法，方法包括：

a)在环境温度下将呈粉末形式的基于聚丙烯腈的聚合物与用于聚合物的溶剂直接组合，其中该溶剂不含非溶剂，