專利名稱：用于制備聚丙烯腈基碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備高性能碳纖維的紡絲油劑，特別涉及用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑。
背景技術(shù)：
聚丙烯腈基碳纖維由于機械強度高而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、運動和休閑娛樂等領(lǐng)域。簡單的說，聚丙烯腈基碳纖維的制備包括以下的過程聚合、紡絲、預(yù)氧化、碳化。 在預(yù)氧化過程中，由于溫度比較高O50 300°C )，聚丙烯腈原絲會發(fā)生融合、粘連、并絲現(xiàn)象。從而導(dǎo)致最終得到的碳纖維毛絲多，有并絲，影響碳纖維的強度和使用性能。因此，在制備碳纖維原絲的過程中，一般都有上油的工藝，即將紡絲油劑附著在聚丙烯腈原絲的表面。在預(yù)氧化過程中，油劑發(fā)揮防粘、隔離的作用，從而抑制原絲間的融合、粘連、并絲，使預(yù)氧化能夠順利進行，從而提高碳纖維的強度和品質(zhì)。由于有機硅高分子具有優(yōu)良的防粘、隔離、潤滑和耐高溫性能，以有機硅為主要組分的有機硅油劑是高性能碳纖維制造專用油劑的主要選擇。使用功能基改性聚二甲基硅氧烷為基礎(chǔ)的紡絲油劑有很多國外專利報道，制造高性能碳纖維所用的紡絲油劑幾乎全部以功能基改性聚硅氧烷為主要組分。目前國內(nèi)外碳纖維制造廠家廣泛使用的碳纖維油劑的主要成分一般都是氨基聚硅氧烷，它們以水乳液的形式被使用，包含適當(dāng)?shù)娜榛瘎┖推渌鷦?。氨基聚硅氧烷的結(jié)構(gòu)，包括分子量、氨基含量等對最終油劑的性能有很重要的影響。而乳化體系的選擇和含量、功能性助劑(抗氧劑、潤濕劑)等對油劑的性能也有非常重要的影響。科學(xué)、合理地組合各個組份才能得到高性能的碳纖維紡絲油劑。在紡絲過程中，希望油劑能快速、均勻在原絲表面鋪展。因此要求油劑有較低的表面張力。用常用的表面活性劑，如脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯等，所制備的油劑的表面張力一般在四 33dyn/Cm。由于聚丙烯腈原絲的表面張力約為44dyn/Cm，29 32dyn/cm的表面張力基本能保證油劑在原絲表面的鋪展。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果在油劑中的表面活性劑部分使用三硅氧烷表面活性劑，可使油劑的表面張力降低至20 25dyn/Cm，油劑能更快速、更均勻地滲透到纖維與纖維的間隙中，并均勻地分散到原絲的表面。因此原絲的分散性、集束性好，最終得到的碳纖維毛絲少，強度高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能快速、均勻地鋪展到聚丙烯腈原絲表面的，用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑；使用本發(fā)明的有機硅紡絲油劑，制備的碳纖維毛絲少，強度高。本發(fā)明的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，為有效成分與水配制成的質(zhì)量濃度在15 45%范圍的乳化液；以氨基聚硅氧烷的重量份為基準(zhǔn)，所述有效成分的組分及含量為氨基聚硅氧烷為100重量份，三硅氧烷表面活性劑為10 25重量份，聚氧乙烯磷酸酯為10 50重量份(優(yōu)選為20 40重量份)，脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚為20 150重量份(優(yōu)選為50 100重量份)，抗氧劑為0. 5 10重量份(優(yōu)選為1 5重量份)。所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑的表面張力為20 25dyn/cm。所述的乳化液的平均粒徑約為50 500納米。本發(fā)明的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑中還可以根據(jù)實際需要，選擇性添加抗靜電劑、消泡劑、乳液防霉劑等組分中的一種或幾種。所述的氨基聚硅氧烷具有如下式(1)或式(2)所示的結(jié)構(gòu)式
權(quán)利要求
1.一種用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是，所述的有機硅紡絲油劑為有效成分與水配制成的質(zhì)量濃度在15 45%范圍的乳化液；以氨基聚硅氧烷的重量份為基準(zhǔn)，所述有效成分的組分及含量為氨基聚硅氧烷為100 重量份，三硅氧烷表面活性劑為10 25重量份，聚氧乙烯磷酸酯為10 50重量份，脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚為20 150重量份，受阻酚抗氧劑為0. 5 10重量份；所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑的表面張力為20 25dyn/cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的聚氧乙烯磷酸酯為20 40重量份；所述的脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚為50 100重量份；所述的抗氧劑為1 5重量份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的氨基聚硅氧烷具有如下所示的結(jié)構(gòu)式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的三硅氧烷表面活性劑具有如下所示的結(jié)構(gòu)
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的η = 10 15。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的聚氧乙烯磷酸酯具有通式為I^1-O-(CH2CH2O)n-PO3H2或 (R1-O-(CH2CH2On))2-PO3H ；其中:n = 3 15 為壬基苯、辛基苯或C12 C18的直鏈烷基。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚具有通式為Ii2O(CH2CH2O) nl (CH(CH3)CH20)n2H ；其中nl = 5 25，n2 = 5 25 ;R2 為 C12 C18 的直鏈烷基。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑，其特征是所述的受阻酚抗氧劑選自2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚、β-(4-羥基苯基-3，5-二叔丁基)丙酸正十八碳醇酯、四〔β _(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、Ν，Ν-雙[3-(3，5_ 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰]胼、4，4'甲撐雙 (2，6-二叔丁基苯酚)、N，N-I，6-亞己基-雙[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰胺] 所組成的組中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備高性能碳纖維的紡絲油劑，特別涉及用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑。所述的有機硅紡絲油劑為有效成分與水配制成的質(zhì)量濃度在15～45％范圍的乳化液；以氨基聚硅氧烷的重量份為基準(zhǔn)，所述有效成分的組分及含量為氨基聚硅氧烷為100重量份，三硅氧烷表面活性劑為10～25重量份，聚氧乙烯磷酸酯為10～50重量份，脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚為20～150重量份，受阻酚抗氧劑為0.5～10重量份；所述的用于制備聚丙烯腈基高性能碳纖維的具有低表面張力的有機硅紡絲油劑的表面張力為20～25dyn/cm。使用本發(fā)明的有機硅紡絲油劑，制備的碳纖維毛絲少，強度高。
文檔編號D01F11/06GK102312300SQ20101022825
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者張瑛, 朱秀華, 趙曉娟, 趙禹磊, 黃偉, 黃英 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所