一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法及PAN基碳纤维原丝的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法及PAN基碳纤维原丝的制备方法，所述PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法包括以下步骤：（1）将丙烯腈、衣康酸、偶氮二异丁腈和二甲基亚砜混合，得到原料液；（2）对原料液进行过滤处理；（3）过滤后的原料液在聚合釜中发生聚合反应，得到聚合液；（4）聚合液经脱单、浓缩、过滤处理后即得纺丝原液。本发明专利技术中，各原料混合后经一步聚合即得用于纺丝的纺丝原液，原料液经过滤处理后再进行聚合反应，可以除去原料中存在的杂质，从而提高聚合反应转化效率和聚合产物的聚合度，同时避免杂质的存在对纺丝原液纺丝过程造成影响，有利于提高采用所述纺丝原液纺丝得到的原丝质量。用所述纺丝原液纺丝得到的原丝质量。用所述纺丝原液纺丝得到的原丝质量。

【技术实现步骤摘要】
一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法及PAN基碳纤维原丝的制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维制造与应用
，具体地说，涉及一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法及PAN基碳纤维原丝的制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维是一种高强度比、高比模量的增强型和功能型纤维材料，是在20世纪60年代迅速发展起来的高科技产品。它具有密度低、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、耐热冲击性能和导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、减震、降噪等一系列综合性能，目前广泛应用已经渗透到体育器材、娱乐休闲、旅游设施、汽车构件、火车零件、飞机制造、电力、石油、化工、航海、生物医学、建筑、战略导弹、防弹装甲等多个领域。
[0003]高强度碳纤维的主要原料是聚丙烯腈（PAN）基碳纤维原丝，原丝的质量在很大程度上决定了碳纤维的质量。现有技术中存在采用PAN基碳纤维原丝的一步法生产，即将丙烯腈及其他共聚单体与溶剂一起加入反应釜中混合，在一定的温度和气氛下经过一定时间后聚合形成含有一定分子量的聚丙烯腈的纺丝原液，所述纺丝原液可直接用于喷丝制备PAN基碳纤维原丝。
[0004]然而上述方法制备PAN基碳纤维原丝时，存在聚合过程难于控制，生产过程中易出现凝胶的问题，会导致聚合反应的转化率降低，以及聚合产物的聚合度偏低。采用所得的纺丝原液进一步进行纺丝，会影响所得PAN基碳纤维原丝以及由原丝所制成碳纤维的质量。
[0005]因此，为得到高质量的碳纤维，在制备PAN基碳纤维原丝时需要对配料过程进行改进，以提高纺丝原液及原丝质量。通过质量更高的纺丝原液及原丝，可以生产得到更高强度的碳纤维。所得的高强度碳纤维可用于制成风力发动机中的叶片等结构，具有良好的应用前景。
[0006]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法及PAN基碳纤维原丝的制备方法，纺丝原液的制备过程可避免原料中杂质带来的影响，起到提高聚合反应转化效率，以及聚合产物聚合度的作用。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用技术方案的基本构思是：本专利技术的第一目的是提供一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：（1）将丙烯腈、衣康酸、偶氮二异丁腈和二甲基亚砜混合，得到原料液；（2）对所述原料液进行过滤处理；（3）过滤后的原料液在聚合釜中发生聚合反应，得到聚合液；（4）所述聚合液经脱单、浓缩、过滤处理后即得纺丝原液。
[0009]在上述方案中，以丙烯腈和衣康酸作为共聚单体，由偶氮二异丁腈（AIBN）引发，在作为溶剂的二甲基亚砜（DMSO）中发生聚合反应，得到含有聚合产物的聚合液。所得聚合液经脱单、浓缩及过滤的后续处理后，即得可直接用于纺丝的纺丝原液。
[0010]所述纺丝原液的制备过程中，多种生产原料混合而成的原料液先进行过滤处理，再进入聚合釜中进行聚合反应，可以除去原料中存在的杂质。尤其是丙烯腈中含有的杂质，比如金属铁、铜，有机衍生物等会使高分子聚合物发生链转移，在聚合过程中会导致转化率降低，以及聚合产物的聚合度降低，所述的杂质还可能发生自聚反应，以及与丙烯腈发生加成反应，进一步对聚合反应造成影响。
[0011]本专利技术中，通过增加过滤处理的步骤将原料中的杂质除去，有利于提高步骤（3）中聚合反应的转化率或转化效率，同时提高聚合产物的聚合度，在此基础上，所得纺丝原液用于PAN基碳纤维原丝制备时，有利于改善所得原丝的质量，同时进一步改善所述原丝制成碳纤维的质量。
[0012]进一步地，步骤（2）中，对原料液进行过滤处理的过滤精度为0.5～1.0μm，所述过滤精度优选为0.5μm；优选地，所述原料液经两级过滤处理；更优地，原料液依次经过筒式过滤器和盘式过滤器实现两级过滤处理。
[0013]在上述方案中，通过控制过滤精度在合适范围内，可以保证滤除对聚合反应存在影响的杂质，保证聚合效果，同时也减少了原料液中参与聚合反应的生产原料存在损失的问题。
[0014]进一步地，步骤（3）中，控制聚合釜内的温度为58～60℃，在高于聚合釜外部气压30～50Pa的微正压环境下进行聚合反应，反应时长为12～23h，优选为13～15h，更优为13.5h；优选地，聚合反应的转化率为90%～95%。
[0015]丙烯腈的聚合属于自由基加成聚合，小分子单体的加聚反应是放热过程，所以在反应过程中要严格控制反应温度。在本专利技术中，每一次加成聚合都需要打开烯烃的一个π键，同时生成两个σ单键，打开π键需要吸收能量，而生成两个σ单键时可释放出能量，反应全过程可放出热量73.3kJ/mol左右。
[0016]具体地，在本专利技术中，聚合过程通过向聚合釜中通入氮气，在聚合釜内形成高于外部气压30～50Pa的微正压环境，同时通过热水循环控温系统严格控制聚合釜温度在58～60℃的范围内，从而控制聚合釜内的反应进程，以控制聚合产物，也即所生成聚合物的相对分子量为0.8
×
105～2.5
×
105。
[0017]研究发现，如果原料液未经过滤直接进行聚合反应，会影响聚合釜反应的放热速率，造成釜温容易不稳定，进而不易控制聚合反应的转化率。而本专利技术中，采用过滤后的原料液进行聚合反应，同时在聚合反应过程中控制上述的工艺参数，可以在12～23h的时间下完成聚合反应过程，且转化率能够达到约95%。相较于传统工艺反应时间一般需要35h小时左右的方案，显著提高了纺丝原液的生产效率。
[0018]进一步地，步骤（3）中，控制所得聚合液的动力学粘度范围为40～60pa.s，再继续进行步骤（4），对聚合液进行脱单、浓缩和过滤处理制成纺丝原液。
[0019]由于聚合物的分子量与粘度存在相关性，聚合反应所得聚合液的动力学粘度处于
40～60pa.s时，说明聚合反应已充分进行，经后续的脱单、浓缩及过滤处理后，动力学粘度会进一步升高，得到动力学粘度为65～70pa.s的纺丝原液。上述粘度范围的纺丝原液可送入纺丝液贮罐中用于纺丝制成PAN基碳纤维原丝。而如果超出上述粘度范围，说明聚合反应不充分，所得纺丝原液会影响后续制得的原丝质量。
[0020]进一步地，步骤（4）中，对聚合液进行脱单、浓缩和过滤处理制成纺丝原液包括：聚合液在－65～－101kPa的减压条件下进行脱单处理，脱去未反应的单体；脱单处理后的聚合液经过滤精度0.5～0.8μm的过滤后，在－88～－101kPa的压力下进行浓缩处理；浓缩处理后，聚合液先经过滤精度为0.5～0.8μm的一级过滤，再经过滤精度为0.2～0.3μm的二级过滤，得到纺丝原液；优选地，浓缩处理后的聚合液经过过滤精度为0.5μm的板框式过滤器进行一级过滤，再经过过滤精度为0.3μm的碟片式过滤器进行二级过滤。
[0021]具体地，脱单是指将聚合液中残留的单体经真空脱出。本专利技术中，聚合釜中导出的聚合液进入脱单塔中，在－65～－101kPa的减压条件下脱去未反应的单体，使其残留量降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将丙烯腈、衣康酸、偶氮二异丁腈和二甲基亚砜混合，得到原料液；（2）对所述原料液进行过滤处理；（3）过滤后的原料液在聚合釜中发生聚合反应，得到聚合液；（4）所述聚合液经脱单、浓缩、过滤处理后即得纺丝原液。2.根据权利要求1所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，对原料液进行过滤处理的过滤精度为0.5～1.0μm。3.根据权利要求2所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，所述原料液经两级过滤处理。4.根据权利要求3所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，原料液依次经过筒式过滤器和盘式过滤器实现两级过滤处理。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，控制聚合釜内的温度为58～75℃，在高于聚合釜外部气压30～50Pa的微正压环境下进行聚合反应，反应时长为12～23h。6.根据权利要求1
‑
4任一项所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，控制所得聚合液的动力学粘度范围为40～60pa.s，再继续进行步骤（4），对聚合液进行脱单、浓缩和过滤处理制成纺丝原液。7.根据权利要求1
‑
4任一项所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，将衣康酸与二甲基亚砜混合得到单体溶液，将偶氮二异丁腈与二甲基亚砜混合得到引发剂溶液，再将所述单体溶液和引发剂溶液与丙烯腈、二甲基亚砜混合得到原料液。8.根据权利要求7所述的PAN基碳纤维原丝用纺丝原液的制备方法，其特征在于，衣康酸与二甲基亚砜按照质量比为1：3.0～1：5.0混合得到所述单体溶液；偶氮二异丁腈与二甲基亚砜按照质量比为1：13.0～1：14.5混合得到所述引发剂溶液。9.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋德武，李凯，刘海亮，陈浩，沈怀宇，
申请(专利权)人：吉林化纤集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：