一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法，属于碳纤维原丝的制备领域，包括：氮气保护条件下，将丙烯腈溶于N,N

【技术实现步骤摘要】
一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维原丝的制备领域，具体涉及一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维作为高性能纤维的代表，具有多种出色的性能，如高强高模、导电性、良好的耐热性和耐腐蚀性等，被广泛应用于航空航天、体育休闲、工业等领域。
[0003]碳纤维按照原丝种类来分主要包括聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维由于生产工艺简单、综合性能优异，占据了市场90％以上的份额，一直以来都是碳纤维研究和工业化的热点。当前，日本、美国在全球碳纤维产业处于领先地位，较早地研制出高性能产品并形成了行业规范，其中具有代表性的企业包括日本东丽、美国赫氏已实现了聚丙烯腈基碳纤维的“标准化、系列化、通用化、实用化”。我国对于碳纤维的研究虽然起步较早，但是由于工艺基础薄弱、装备技术落后等原因，碳纤维质量低下、性能稳定性差，聚丙烯腈基碳纤维国产化技术长期徘徊在较低水平。步入21世纪后，我国碳纤维产业得到了较快发展，涌现出一批优秀企业，实现了技术突破，目前已实现T300、T700、T800等级别的量产，在T1000等级的技术工艺也取得了进步。
[0004]聚丙烯腈基碳纤维的质量主要取决于聚丙烯腈原丝的品质，高品质原丝对于高性能聚丙烯腈基碳纤维制备至关重要。在碳纤维前驱体制备的过程中，通常会引入第二单体或第三单体来改善丙烯腈均聚物溶解性差、纺丝困难、放热集中的缺点，通常加入的共聚单体主要有三类：羧酸类、羧酸脂类、酰胺类，羧酸类共聚单体主要有衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸；羧酸脂类共聚单体主要有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯；酰胺类共聚单体主要有丙烯酰胺等。
[0005]聚丙烯腈原丝的最终目的是经过碳化获得碳纤维，其中预氧化温度和碳得率是衡量聚丙烯腈基碳纤维原丝品质的重要指标。预氧化温度每降低5℃、碳得率每提高1个百分点，均能大幅度地降低碳纤维工业化生产成本，对碳纤维的生产具有重大意义。因此，如何进一步降低预氧化温度、提高碳得率，成为了需要不断深入研究的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，基于现有技术中的这些缺点，本专利技术旨在提供一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，进一步降低预氧化温度并提高碳得率。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，包括如下重量份原料：第一共聚单体97～99份、第二共聚单体1～3份、引发剂0.4～1份；所述第一共聚单体为丙烯腈，所述第二共聚单体为N
‑
乙烯基吡啶酰胺。
[0009]优选的，所述第一共聚单体与所述第二共聚单体的质量比为97.5～98.5:1.5～2.5，单体的总浓度为18～26wt％，进一步优选为20～24wt％。引发剂占单体总质量的0.4～
1.0wt％，进一步优选为0.4～0.7wt％。
[0010]优选的，所述第一共聚单体与所述第二共聚单体的质量比为98:2。
[0011]优选的，所述引发剂包括偶氮异丁氰基甲酰胺。
[0012]优选的，所述N
‑
乙烯基吡啶酰胺包括N
‑
乙烯基
‑2‑
吡啶酰胺、N
‑
乙烯基
‑3‑
吡啶酰胺、N
‑
乙烯基
‑4‑
吡啶酰胺中的一种或多种。
[0013]第二共聚单体N
‑
乙烯基吡啶酰胺的结构通式为：
[0014]其中R为
[0015]优选的，原料中还包括溶剂，所述溶剂包括N,N
‑
二甲基甲酰胺，用量为284～455份。
[0016]优选的，所述碳纤维原丝的直径为11～13um，强度为8.9～12.1cN/dtex，碳得率大于54％。
[0017]为提升聚丙烯腈纤维的耐热性能和碳得率，本专利技术以N
‑
乙烯基吡啶酰胺为共聚单体，以偶氮异丁氰基甲酰胺为引发剂，采用溶液聚合的方法制备纺丝前驱体，酰胺基团能够提高聚合物亲水性促进纤维成型双扩散，增加原丝的致密性，得到高品质原丝；酰胺基团的中的氨基能够促进环化反应，进一步降低预氧化温度，减少生产成本；同时，吡啶基团中的N原子有利于交联反应，促进预氧纤维环状芳香结构向二维芳香稠环层面结构的转变，提高碳得率。
[0018]一种如上所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0019]A：按比例将所述第一共聚单体和所述引发剂溶于溶剂中，所述第二共聚单体采用连续滴加方式，在一定温度条件下进行聚合反应，得到丙烯腈聚合物，然后经过过滤，脱单、脱泡制得纺丝原液；
[0020]B：将所述纺丝原液经二级过滤、纺丝、水洗、热水拉伸、上油、干燥致密化、高压蒸汽牵伸制得所述碳纤维原丝。
[0021]采用连续滴加的方式，确保了第二共聚单体均匀地分布在原丝的各段上，确保了对碳纤维原丝整体性能的改良。如果在一开始就将第二共聚单体全部加入到反应釜中，由于第二共聚单体的活性比较大，随着反应的进行，第二共聚单体的浓度逐渐减小，造成聚合物分子链结构变化，原丝性能不稳定。
[0022]优选的，包括如下步骤：
[0023]A：氮气保护条件下，通过机械搅拌按比例将所述第一共聚单体和所述引发剂溶于溶剂中，所述第二共聚单体采用连续滴加方式，并前30min升温至反应温度60～70℃，进一步优选为62～67℃，然后保持在该温度下进行所述聚合反应12～20小时，进一步优选为14～18小时，最后再升至80℃保持2小时，得到所述丙烯腈聚合物，然后经过一级过滤，真空脱单、脱泡制得所述纺丝原液；
[0024]B：将所述纺丝原液经二级过滤，然后经过如下步骤：
[0025]B1：采用干喷湿法纺丝，工艺参数为：空气段的距离为1～5mm，空气段的温度为30℃，相对湿度为65％，第一凝固浴中溶剂的含量为50～65wt％，进一步优选为55～60wt％，
第一凝固浴的温度为0～10℃，进一步优选为3～8℃，第二凝固浴中溶剂的含量为40～50wt％，进一步优选为44～47wt％，第二凝固浴的温度为30～40℃；
[0026]B2：进行多级水洗，水洗温度为50～70℃；
[0027]B3：进行两级热水牵伸，第一级热水温度为60～80℃，进一步优选为68～76℃，牵伸倍数为1.1～1.4倍；第二级热水温度为90～100℃，进一步优选为94～98℃，牵伸倍数为1.4～1.8倍；
[0028]B4：进行上油，采用氨基改性硅油，上油率为0.5～1.2wt％，进一步优选为0.7～1.0wt％。
[0029]B5：进行干燥致密化，所述干燥致密化的温度为140～160℃，进一步优选为145～155℃，时间为0.5～2min，优选为0.8～1.4min；
[0030]B5：进行二段高压蒸汽牵伸，第一段压力0.1～0.3MPa本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，包括如下重量份原料：第一共聚单体97～99份、第二共聚单体1～3份、引发剂0.4～1份；所述第一共聚单体为丙烯腈，所述第二共聚单体为N
‑
乙烯基吡啶酰胺。2.如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，所述第一共聚单体与所述第二共聚单体的质量比为98:2。3.如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，所述引发剂包括偶氮异丁氰基甲酰胺。4.如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，所述N
‑
乙烯基吡啶酰胺包括N
‑
乙烯基
‑2‑
吡啶酰胺、N
‑
乙烯基
‑3‑
吡啶酰胺、N
‑
乙烯基
‑4‑
吡啶酰胺中的一种或多种。5.如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，原料中还包括溶剂，所述溶剂包括N,N
‑
二甲基甲酰胺，用量为284～455份。6.如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝，其特征在于，所述碳纤维原丝的直径为11～13um，强度为8.9～12.1cN/dtex，碳得率大于54％。7.一种如权利要求1所述高性能二元聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：A：按比例将所述第一共聚单体和所述引发剂溶于溶剂中，所述第二共聚单体采用连续滴加方式，在一定温度条件下进行聚合反应，得到丙烯腈聚合物，然后经过过滤，脱单、脱泡制得纺丝原液；B：将所述纺丝原液经二级过滤、纺丝、水洗、热水拉伸、上油、干燥致密化、高压蒸汽牵伸制得所述碳纤维原丝。8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，包括如下步骤：A：氮气保护条件下，通过机械搅拌按比例将所述第一共聚单体和所述引发剂溶于溶剂中，所述第二共聚单体采用连续滴加方式，并前30min...

【专利技术属性】
技术研发人员：巨安奇，党延金，郭清海，江建平，郭巧何，郭品铧，
申请(专利权)人：广东蒙泰高新纤维股份有限公司，
类型：发明
国别省市：