一种碳纤维原丝油剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维原丝油剂及其制备方法。所述碳纤维原丝油剂包含改性硅氧烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、非离子抗静电剂和抗氧剂。所述改性硅氧烷通过环硅氧烷和氨基硅烷制备得到，再通过脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯发生环氧环丙加成反应后对改性硅氧烷进一步接枝羧基、环氧基。所述改性硅氧烷具有很强的相容性，对聚丙烯腈纤维的附着能力更强。所述碳纤维原丝油剂可以减少预氧化纤维断线、毛线，并且可以降低预氧化纤维并丝数、提高纤维密度。提高纤维密度。提高纤维密度。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维原丝油剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种碳纤维原丝油剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维具有高强度、低密度、抗摩擦、耐高温、耐腐蚀、导电、导热等优异性能，因此，经常作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合，从而制造先进复合材料，可以广泛应用于航空航天等军用以及建筑汽车等民用领域。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。目前碳纤维制备方法大多采取如下工序：在200～400℃有氧存在下加热原丝使其转化为耐火纤维，随后在1000℃以上惰性氛围中碳化、石墨化得到具有优异机械性能的碳纤维。
[0003]碳纤维原丝在预氧化阶段，其结构经历了丝束机构
‑
半熔堆垛结构
‑
片状发散机构的演变过程。在预氧化初期后段与预氧化中间前段呈半熔堆结构，是缺陷形成的敏感区。原丝预氧化过程初、中期出现中空等大型结构性缺陷及并丝现象。所制得的碳纤维出现较多双束粘连结构，碳纤维内部大孔结构性缺陷较多，还出现了部分中空结构，片层纹理较粗并较稀松。预氧丝出现较明显的“皮芯”结构，丝表面致密，而芯部疏松，并有大空洞出现。这种缺陷会带入碳纤维中导致其性能变差。一般认为，使用油剂对原丝纤维束进行保护，可以有效减少表面缺陷和毛丝的产生。
[0004]碳纤维油剂是碳纤维生产过程中的重要助剂，在纺丝、预氧化、低温碳化阶段给予碳纤维有效的保护和润滑，因此高品质油剂是高品质碳纤维的必要条件。其性能主要受所用的硅油影响，目前国内所采用油剂的硅油是二甲基硅氧烷，但其特性是不溶于水，即使使用乳化剂采用机械乳化方法也难以制得很稳定的水乳液。
[0005]为了改善二甲基硅氧烷在水中的分散性以及对聚丙烯腈纤维的附着性，需要对二甲基硅氧烷进行改性。目前改性硅油包括氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油等，其中氨基改性硅油由于具有良好的亲水性、乳化性和成膜性而受到广泛欢迎，但其对于聚丙烯腈纤维的附着能力差，导致油剂的上油率低、均匀性差，预氧化纤维易断丝、毛线，而且并丝数高、密度低。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种上油均匀可以减少预氧化纤维断线、毛线，并且可以降低预氧化纤维并丝数、提高纤维密度的碳纤维原丝油剂及其制备方法。
[0007]技术方案：
[0008]一种碳纤维原丝油剂，包含改性硅氧烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、非离子抗静电剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、抗氧剂和去离子水；
[0009]所述改性硅氧烷为如下式Ⅰ化合物：
[0010][0011]其中m＝5
‑
10，n＝50
‑
60。
[0012]所述原丝油剂能够减少摩擦，降低纤维与金属间的动摩擦，调整纤维与纤维间的动、静摩擦系数，即处理好平滑性、分纤性与集束性的关系；吸附性好，能均匀地分布在纤维表面；热稳定性好，对纤维色泽无影响；原丝预氧化充分，碳化后的丝束强度高。
[0013]原丝在碳化过程中由于溶剂及沉淀剂相互扩散所引起的因结构不均匀而产生的为数众多、大小不等的空洞及裂隙缺陷。本专利技术提供的原丝油剂解决了原丝内外结构不一致的问题，使上油后的原丝经预氧化后有效地消除“皮芯”结构；通过包覆有机高聚物，使原丝表面能形成均匀的保护膜，有效解决原丝抗静电不均的问题。
[0014]进一步地，按总质量为100％计，各组分的质量百分含量为：
[0015][0016]余量为去离子水。
[0017]进一步地，所述改性硅氧烷的制备方法为：在氮气保护下，将环硅氧烷、氨基硅烷、催化剂和封端剂混合，逐步升温至150
‑
160℃，反应20
‑
24小时后，升温至180
‑
185℃，反应3
‑
5分钟，然后降温、过滤，制得所述改性硅氧烷。
[0018]通过控制反应条件制得的所述改性硅氧烷，与水具有很强的相容性，可以通过机械乳化制得稳定的水乳液；含有较高的氨值，并且结构中仍具有较多的接枝位点，可以对其进一步接枝改性。
[0019]所述改性硅氧烷粘度为5000
‑
7000mPa
·
S；氨值为0.5
‑
0.6meq/g。
[0020]所述方法中通过加入催化剂和封端剂并且控制反应的温度以及时间，从而控制制得的改性硅氧烷的结构和氨值。
[0021]进一步地，所述环硅氧烷选自六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷或十二甲基环六硅氧烷中的一种；所述氨基硅烷为N
‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷。
[0022]进一步地，所述催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、四甲基氢氧化铵或四甲基胍中的一种；所述封端剂为六甲基二硅氧烷。
[0023]进一步地，所述环硅氧烷、氨基硅烷和封端剂的质量比为(25
‑
35)：(1
‑
5)：(0.5
‑
1)。
[0024]通过控制环硅氧烷和氨基硅烷与封端剂的质量比，从而控制制得的改性硅氧烷结构与氨值。
[0025]碳纤维原丝油剂的制备方法，包括以下步骤：
[0026](1)在搅拌釜中投入脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、非离子抗静电剂和抗氧剂，50
‑
55℃搅拌1
‑
2小时，制得均匀的复合成乳剂备用；
[0027](2)将改性硅氧烷缓慢投入高剪切乳化机中，开动搅拌后，将预先制得的复合乳化剂缓慢加入乳化机中，调整温度在40
‑
50℃，待复合乳化剂全部加完后，再向其中滴加去离子水，调节pH为4.5
‑
5.5，控制搅拌速度为2800
‑
3200r/min，搅拌时间为100
‑
140分钟，搅拌均匀后冷却至室温后过滤，制得白色乳液即为所述碳纤维原丝油剂。
[0028]所述步骤(1)中加入脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯，一部分作为原丝硅油的乳化剂和表面活性剂，一部分发生环氧环丙加成反应，在步骤(2)中对改性硅氧烷进一步改性，链接环氧基、羧基并且接枝亲水的聚醚链段。
[0029]所述方法制得的原丝油剂可洗性好，易从纤维上洗脱；热稳定性好，对纤维色泽无影响；pH呈中性，对设备无腐蚀；无毒，无特殊气味，对皮肤无刺激；易于配制，使用方便，安全有效。
[0030]进一步地，所述步骤(1)中脂肪醇聚氧乙烯醚的通式为RO(CH2CH2O)xH，其中x＝10
‑
20，R为12
‑
18个碳原子的直链或带支链的饱和烷烃；所述脂肪酸聚氧乙烯酯结构式为RCOO(EO)yH，其中y＝3
‑
40，R为4
‑
20个碳原子的直链或带支链的烃类。
[0031]脂肪酸聚氧乙烯酯，是一种非离子表面活性剂，具有良好的乳化、增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维原丝油剂，其特征在于，包含改性硅氧烷、脂肪醇聚氧乙烯醚、非离子抗静电剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、抗氧剂和去离子水；所述改性硅氧烷为如下式Ⅰ化合物：其中m＝5
‑
10，n＝50
‑
60。2.根据权利要求1所述的碳纤维原丝油剂，其特征在于，按总质量为100％计，各组分的质量百分含量为：余量为去离子水。3.根据权利要求1所述的碳纤维原丝油剂，其特征在于，所述改性硅氧烷的制备方法为：在氮气保护下，将环硅氧烷、氨基硅烷、催化剂和封端剂混合，逐步升温至150
‑
160℃，反应20
‑
24小时后，升温至180
‑
185℃，反应3
‑
5分钟，然后降温、过滤，制得所述改性硅氧烷。4.根据权利要求3所述的碳纤维原丝油剂，其特征在于，所述环硅氧烷选自六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷或十二甲基环六硅氧烷中的一种；所述氨基硅烷为N
‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷。5.根据权利要求3所述的碳纤维原丝油剂，其特征在于，所述催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、四甲基氢氧化铵或四甲基胍中的一种；所述封端剂为六甲基二硅氧烷。6.根据权利要求3所述的碳纤维原丝油剂，其特征在于，所述环硅氧烷、氨基硅烷和封端剂的质量比为(25
‑
35)：(1
‑
5)：(0.5
‑
1)。7.权利要求1
‑
6任意一项所述的碳纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙卉桐，孙启航，何佳，孙成波，
申请(专利权)人：北京宝冠助剂有限公司，
类型：发明
国别省市：