专利名称：用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用于制备高性能碳纤维的纺丝油剂，特别涉及用于制备聚丙烯腈基高 性能碳纤维的有机硅纺丝油剂，以及该有机硅纺丝油剂的制备方法。
背景技术：
聚丙烯腈基碳纤维由于比重小、比强度高而被广泛应用于航空、航天、运动和休闲 娱乐等领域。碳纤维制备的工艺过程流程长，工艺复杂。简单的说，聚丙烯腈基碳纤维的 制备包括以下的过程聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化。在预氧化和低温碳化过程 中，由于工艺温度比较高，如果不对表面加以处理，聚丙烯腈原丝会发生融合、粘连、并丝现 象。从而导致最终得到的碳纤维毛丝多，有并丝，影响碳纤维的强度和使用性能以及碳纤维 的正常生产。因此，在制备碳纤维原丝的过程中，一般都有上油的工艺，即将纺丝油剂附着 在聚丙烯腈原丝的表面。在预氧化和低温碳化过程中，油剂发挥防粘、隔离的作用，从而抑 制原丝间的融合、粘连、并丝，使预氧化和低温碳化能够顺利进行，从而提高碳纤维的强度 和品质。
由于有机硅高分子具有优良的防粘、隔离、润滑和耐高温性能，以有机硅为主要组 分的有机硅油剂是高性能碳纤维制造专用油剂的主要选择。使用功能基改性聚二甲基硅氧 烷为基础的纺丝油剂有很多国外专利报道，制造高性能碳纤维所用的纺丝油剂几乎全部以 功能基改性聚硅氧烷为主要组分。目前国内外碳纤维制造厂家广泛使用的碳纤维油剂的主 要成分一般也都是功能基改性聚硅氧烷，其中使用最多的是氨基改性聚硅氧烷，它们以水 乳液的形式被使用，包含适当的乳化剂和其它助剂。
功能基改性聚硅氧烷的结构，包括分子量、功能基类型及含量等对油剂的性能有 很重要的影响。而乳化体系的结构和用量、功能性助剂(抗氧剂、润湿剂等)对油剂的性能 也有非常重要的影响。科学、合理地组合各个组份才能得到高性能的碳纤维纺丝油剂。
在纺丝过程中，在油剂上到原丝表面后，接着进行烘干，油剂在原丝表面形成油 膜。本发明人发现，油剂形成的油膜越均匀，防粘、隔离、分散效果越好。油膜的均匀性与改 性聚硅氧烷和乳化剂的结构密切相关。选用合适结构的改性聚硅氧烷和乳化剂，可以形成 宏观上均匀的油膜。但是一般所使用的氨基改性聚硅烷和乳化剂的相容性较差，水分干燥 后很难形成均匀的油膜。如果在油剂中部分使用聚醚改性聚硅氧烷，并选用合适结构的表 面活性剂，油剂就能够形成比较均匀的油膜，同时油膜在预氧化过程中也能保持比较均匀。 因此原丝的分散性、集束性好；油剂在预氧化和低温碳化过程中防粘、隔离效果好。最终得 到的碳纤维毛丝少，强度高。发明内容
本发明的目的在于提供能够在聚丙烯腈原丝表面形成均匀油膜的有机硅纺丝油 剂；使用本发明的有机硅纺丝油剂，制备的聚丙烯腈基碳纤维毛丝少，强度高。
本发明的再一目的在于提供一种用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂的制备方法。
本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的具有低表面张力的有机硅纺丝油齐U，主要是由有效成分与水配制成的质量浓度在15 45%范围的乳液；以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，所述有效成分的组分及含量为氨基聚硅氧烷为100重量份，聚醚改性聚硅氧烷为15 100重量份(优选为30 60重量份)，长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚类乳化剂为25 200重量份(优选为50 100重量份)，受阻酚类抗氧剂为O. 5 10重量份(优选为I 5重量份)。
所述的乳液的平均粒径约为30 500纳米。
本发明的用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的具有低表面张力的有机硅纺丝油剂中还可以根据实际需要，选择性添加抗静电剂、消泡剂、乳液防霉剂等组分中的一种或几种。
所述的氨基聚硅氧烷优选是具有如下式(I)或式(2)所示的结构式
权利要求
1.一种用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是，所述的有机硅纺丝油剂主要是由有效成分与水配制成的质量浓度在15 45%范围的乳液；以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，所述有效成分的组分及含量为氨基聚硅氧烷为100重量份，聚醚改性聚硅氧烷为15 100重量份，长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚为25 200重量份，受阻酚抗氧剂为O. 5 10重量份。
2.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的聚醚改性聚硅氧烷为30 60重量份。
3.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚为50 100重量份。
4.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的受阻酚抗氧剂为I 5重量份。
5.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的乳液的平均粒径为30 500纳米。
6.根据权利要求1所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的氨基聚硅氧烷具有式(I)或式(2)所示的结构式
7.根据权利要求1或2所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的聚醚改性聚硅氧烷具有式(3)所示的结构式
8.根据权利要求1或3所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚具有式(4)所示的结构式
9.根据权利要求1或4所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂，其特征是所述的抗氧剂选自2,6- 二叔丁基-4-甲基苯酌·、β - (4-轻基苯基-3, 5- 二叔丁基)丙酸正十八碳醇酯)、四〔β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、Ν，Ν-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰]肼、4，4'甲撑双(2，6-二叔丁基苯酚)、化^1，6-亚己基-双[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰胺]所组成的组中的至少一种。
10.一种根据权利要求1 9任意一项所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂的制备方法，其特征是以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，先将构成主要有效成分的O.5 10重量份的受阻酚抗氧剂，在温度为100 150°C下溶解在25 200重量份的长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚中，然后加入100重量份的氨基聚硅氧烷以及15 100重量份的聚醚改性聚硅氧烷；在温度为50 90°C下，一边搅拌上述混合物，一边添加去离子水；使得到的乳液的质量浓度在15 45%范围，得到所述的用于制备聚丙烯腈基碳纤维的有机硅纺丝油剂。
全文摘要
本发明涉及用于制备高性能碳纤维的纺丝油剂，特别涉及用于制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的有机硅纺丝油剂，以及该有机硅纺丝油剂的制备方法。所述的有机硅纺丝油剂主要是由有效成分与水配制成的质量浓度在15～45％范围的乳液；以氨基聚硅氧烷的重量份为基准，所述有效成分的组分及含量为氨基聚硅氧烷为100重量份，聚醚改性聚硅氧烷为15～100重量份，长脂肪碳链取代酚聚氧乙烯醚为25～200重量份，受阻酚抗氧剂为0.5～10重量份。所述的有机硅纺丝油剂具有优良的防粘、隔离分散效果。使用本发明的有机硅纺丝油剂，制备的碳纤维毛丝少，强度高。
文档编号D01F9/22GK103014922SQ20111028423
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者黄伟, 张瑛, 杨欣, 赵晓娟, 黄英 申请人:中国科学院化学研究所