[发明专利]一种腈纶及其制备方法、一种碳纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种腈纶及其制备方法以及一种碳纤维的制备方法，所述腈纶共聚有第二和/或第三单体，具有如下结构式：其中，X与Y为包括羧基、酰胺基、氨基、羟基、磺酸基、酯基或卤素中一种基团的化合物及其对应的盐类，且X与Y相同或不同，m的摩尔百分比为85％～99.5％；n的摩尔百分比为0.5％～15％；p的摩尔百分比为0～14.5％。腈纶制备包括如下步骤：将原液经凝固成型、水洗、上油、干燥和后牵伸处理后得到腈纶。碳纤维制备时，将腈纶经上辊、预氧化处理、碳化处理后得到碳纤维。本发明与聚丙烯腈原丝相比，成本更低，性价比更高；与商业腈纶相比，生产碳纤维的成本相当，但可制造性更强，力学性能表现更优，因此应用领域更广泛，帮助其提升竞争力。

技术领域

本发明涉及碳纤维技术领域，具体涉及一种腈纶及其制备方法、一种碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经预氧化及碳化处理而得到含碳量在90％以上的微晶石墨材料纤维，具有强度高、比模量高、密度小、耐化学腐蚀、耐疲劳及耐高低温等优越性能，是军民两用非常重要的基础材料。按照原材料来源可分为三类碳纤维：PAN基、沥青基和黏胶基。其中PAN基碳纤维不仅力学性能优异，而且制备工艺更成熟，因此应用最为广泛，在碳纤维材料中占比超过90％。

但目前PAN基碳纤维由于前期投入大，技术壁垒高，产量小，导致其价格一直居高不下，从而限制了其在民用领域的应用。随着碳中和以及风电平价时代的来临，风电叶片领域对于碳纤维的需求与日俱增，因此低成本碳纤维成为了当前研究的热点。根据调研发现，PAN基碳纤维的成本构成中，原丝占比51％，预氧化过程占比23％，碳化过程占比15％。因此，开发低成本的碳纤维前体和提升生产效率是降低碳纤维成本的有效途径。我们发现，腈纶(又称“人造羊毛”)和PAN原丝的主要成分相同，都是丙烯腈，而且在生产技术原理和工艺路线上基本保持一致，但腈纶的成本只有制备碳纤维所需的PAN原丝成本的50～75％，因此在力学性能相当或略微损失的前提下，采用腈纶制备的碳纤维可以降低20～50％的生产成本。

不过，商业腈纶所用的共聚单体多为醋酸乙烯酯或丙烯酸甲酯等这类缺乏热稳定促进基元的单体，导致其普遍存在预氧化起始反应温度高，反应放热集中，工艺稳定性差等问题。过去人们通过不同的物理/化学方式对腈纶进行改性，如使用化学试剂浸泡、紫外光或电子束辐照，但预处理过程复杂，投入大，效果较差，无法适用于实际碳纤维的规模化生产。

因此，本领域急需一种生产成本低、可制造性强，性能达标的碳纤维产品。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种腈纶及其制备方法。

本申请之目的还在于提供利用上述腈纶制备碳纤维的方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种定制化腈纶的制备方法，其聚合物的化学结构组成如式(I)所示：

其中，m为85％～99.5％摩尔比，n为0.5％～15％摩尔比，p为0～14.5％摩尔比。

其中，X与Y为包括羧基、酰胺基、氨基、羟基、磺酸基、酯基或卤素中一种基团的化合物及其对应的盐类，且X与Y相同或不同；

R1/R2包括氢原子、甲基、卤素或羧甲基中的一种，R1与R2可以相同，也可以不同。

当X/Y为取代的羧基、取代的酰胺基、取代的氨基、取代的羟基或取代的磺酸基时，预氧化过程可以发生亲核进攻的成环反应，降低反应起始温度，促使反应放热更加平缓。以羧基为例进行介绍，如下所示：

过去，腈纶中由于缺乏类似功能基团，预氧化过程只能发生自由基进攻的成环反应，如下所示：