[发明专利]一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法

说明书

本发明涉及聚丙烯腈基聚合工艺，尤其涉及一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法。其技术要点如下，采用管式预聚合反应器对聚合体系进行预聚合反应；其中，所述聚合体系中包括丙烯腈、衣康酸、引发剂、二甲基亚砜和二硫代苯甲酸氰基异丙酯溶液的碳酸乙烯酯溶液。本发明提供的一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法，在传统均相溶液间歇聚合的工艺基础上，通过采用管式预聚合反应器，RAFT（可逆加成—断裂链转移）活性自由基聚合技术，并对反应结束的聚丙烯腈分子链进行封端，在保证高分子质量，窄分子量分布的前提下，有效提高了转化率，获得高性能碳纤维用的聚丙烯腈。

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈基聚合工艺，尤其涉及一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维是以丙烯腈为主要原料，经过聚合、纺丝生产出聚丙烯腈基原丝，原丝在经过预氧化、碳化及表面处理后制得的高性能纤维材料，是目前发展最快、应用最广泛的高性能纤维材料之一。

结合国内外的高性能聚丙烯腈基碳纤维的工艺技术现状进行分析，生产高比强度、高比模量的碳纤维大多采用的是均相溶液间歇聚合一步法工艺，该工艺特点是聚合反应前将物料一次性加入聚合釜。受均相溶液限制，为了获得较高的转化率，聚合反应时间都较长，普遍在18～30小时。即使如此，转化率也只有90%，甚至在90%以下。虽然从提高引发剂与单体配比，提高反应温度，延长聚合时间上都可以提高转化率，但是这三种方法都会在一定程度上降低聚合物的相对分子质量，并且使分子量分布变宽。而相对分子质量和分子量分布的指标又严重影响到高性能碳纤维的性能，显然，通过提高引发剂与单体配比，提高反应温度，延长聚合时间的方法来提高转化率是不可取的。所以，如何在保证高分子质量，窄分子量分布的前提下，有效提高转化率成为生产高性能碳纤维用聚丙烯腈的一大技术难点。

有鉴于上述现有技术中存在的缺陷，本发明人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，开发一种高转化率，高分子量，窄分子量分布的碳纤维用聚丙烯腈的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法，在传统均相溶液间歇聚合的工艺基础上，通过采用管式预聚合反应器，RAFT（可逆加成—断裂链转移）活性自由基聚合技术，并对反应结束的聚丙烯腈分子链进行封端，在保证高分子质量，窄分子量分布的前提下，有效提高了转化率，获得高性能碳纤维用的聚丙烯腈。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法，采用管式预聚合反应器对聚合体系进行预聚合反应；其中，聚合体系中包括丙烯腈、衣康酸、引发剂、二甲基亚砜和二硫代苯甲酸氰基异丙酯溶液的碳酸乙烯酯溶液。该阶段反应的管式反应器内设置了混合匀化器。传统聚合方式是将所有物料加入了醇类封端剂一方面实现了聚合物端聚合釜后再进行混合反应。聚合釜的体积较大，物料混合时不可避免地受到搅拌产生的流场作用，而出现传质、传热不均匀的区域，从而导致局部聚合反应不可控。本发明采用管式预聚合反应器一方面引导连续计量加入的物料在中央区和周边区流体交叉换位，没有死角，保证任意截面温度、浓度均匀，另一方面因为物料在预聚合反应器内进行了均匀化的聚合反应，这种反应效果是传统聚合方式在聚合釜内，经过搅拌长时间传质后才可以实现的，从而大大缩短了聚合反应时间。

进一步的，管式预聚合反应器中设置有混合匀化器。

进一步的，一种高性能碳纤维用聚丙烯腈的制备方法，具体包括以下操作步骤：

S1、将二甲基亚砜分为三部分，采用第一部分二甲基亚砜将衣康酸和引发剂分别配制成衣康酸二甲基亚砜溶液和引发剂二甲基亚砜溶液；

S2、向聚合釜中加入第二部分二甲基亚砜，加料至10~15%液位，并对聚合釜进行预热；