[发明专利]一种聚丙烯腈聚合液的氨化方法及实现该方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈原丝制备技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈聚合液的氨化方法及实现该方法的装置。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等众多优异性能，已在航空航天、国防军工以及民用工业的各个领域得到广泛应用。按原料路线，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基三大类型。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。

众所周知，高性能PAN原丝是制备高性能PAN基碳纤维的前提。只有采用稳定的高性能的PAN原丝才能制得稳定的高性能的PAN基碳纤维。在PAN原丝生产过程中，凝固工艺是原丝成型的关键步骤，其对原丝的结构和性能影响极大。凝固过程中，由于溶剂-沉淀剂双扩散作用而形成的结构性缺陷将随着后续纺丝工艺遗传至原丝，并成为决定最终碳纤维性能的主要因素之一。

凝固双扩散速度与PAN纺丝液的亲水性息息相关。提高纺丝液的亲水性可以减缓凝固成型过程中的双扩散速度，抑制大孔和皮芯结构等缺陷的形成，从而有利于获得结构均匀、致密的高性能PAN原丝。因此，改善PAN纺丝液的亲水性是生产高性能PAN原丝的关键技术之一。

提高PAN纺丝液亲水性的方法主要有两种：一是采用含亲水性基团的特殊共聚单体与丙烯腈进行共聚合反应，生成亲水性PAN树脂；二是采用溶液聚合工艺得到PAN聚合液后，对PAN聚合液进行氨化处理。前者由于受到共聚单体自身的化学性质以及供货能力的限制，目前还未在规模化工业生产中获得应用。而后者由于简单、有效，已在工业生产中得到实际应用。

目前，工业界都采用氨气鼓泡法来对PAN聚合液进行氨化处理，即采用溶液聚合工艺得到PAN聚合液后，往PAN聚合液中鼓入一定量的氨气，使共聚单体上羧基转化为铵盐或酰胺基，从而使PAN纺丝液的亲水性得到提高。但是，该方法存在如下缺点：一是由于氨对自由基聚合反应有阻碍作用，直接在聚合釜内通氨气，会污染聚合釜，残留的氨会阻碍下一次聚合反应的进行；二是由于PAN聚合液为粘稠体系，氨气与之混合难度很大，因此难以获得均匀氨化的PAN聚合液；三是由于通入的氨气只有少量被聚合液吸收，导致难以稳定控制PAN聚合液的氨化程度，进而影响PAN原丝的质量稳定性。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术中，采用氨气鼓泡法对PAN聚合液进行氨化处理的不足，提供一种无污染、均匀、稳定地氨化PAN聚合液的方法，以及实现该方法的装置，从而提高PAN纺丝液的亲水性，为生产稳定、高性能的PAN原丝以及碳纤维奠定基础。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种聚丙烯腈聚合液的氨化方法，包括如下步骤：

步骤1：在聚合釜中，采用溶液聚合工艺将丙烯腈、共聚单体与引发剂溶于溶剂中，在溶液状态下发生共聚反应，得到PAN聚合液；

步骤2：在容器中放入一定量的溶剂，该溶剂与步骤1中所用的溶剂相同，将氨气通入该溶剂中，制得NH₃溶液；

步骤3：取适量步骤1制得的PAN聚合液与适量步骤2制得的NH₃溶液，将其加入混合器中，均匀混合，实现PAN聚合液的均匀氨化。

所述的步骤1中，溶剂包括但不限于二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)，优选二甲基亚砜(DMSO)；引发剂包括但不限于偶氮二异丁基、偶氮二异庚腈，优选偶氮二异丁基；共聚单体质量占总单体质量(即丙烯腈与共聚单体质量之和)的百分比优选控制在0.3％～3％；共聚单体一般为衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸等羧酸类单体，优选为衣康酸，衣康酸质量占总单体质量的百分比优选控制在0.3％～3％，进一步优选为0.5％～1.5％；制得的PAN聚合液中，采用称重法测定固体质量百分比含量，其中固体的质量百分比含量优选控制在17％～21％，进一步优选为18％～20％。

所述的步骤2中，溶剂选择与步骤1中所用的溶剂相同；NH₃溶液的质量浓度优选控制在0.1％～2％，进一步优选为0.5％～1％。

经过所述的步骤3，PAN聚合液与NH₃溶液均匀混合，实现了PAN聚合液的均匀氨化。但是也许还残留少量未反应的丙烯腈和氨气，为了除去这些未反应的丙烯腈和氨气，采用进一步脱单处理与脱泡处理，即在步骤3之后，进行如下步骤4的处理：

步骤4：将步骤3得到的混合溶液输入脱单釜中进行脱单处理，脱除未反应的丙烯腈和氨气，然后输入脱泡釜中进行脱泡处理，静置脱除气泡。