[发明专利]一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝及制备方法

说明书

技术领域

本发明属纺织纤维原丝及其制备技术领域，特别是涉及一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝及制备方法。

背景技术

碳纤维具有许多优异的性能。力学性能上，它可加工性能好，质轻而高强，比重仅是铁的四分之一，比强度却是铁的10倍，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1.8～2.6倍。在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。化学性能上，极其稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性高。从热学性能上说，它耐高温耐低温，即在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃低温下仍很柔韧，而且还不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应。

目前，碳纤维及其复合材料主要在航空航天、体育运动、土木建筑、汽车甚至医疗卫生等各大领域有着广泛的应用和市场，如飞机机翼、网球拍、混凝土、汽车缓冲器、人工心脏瓣膜阀体等。

从原料的角度来说，碳纤维主要分为粘胶基、酚醛树脂基纤维、聚丙烯腈(PAN)基纤维和沥青基碳纤维的四大原料体系，而其中尤以PAN基碳纤维产量最大，应用最广，是碳纤维市场的主流。

聚丙烯睛原丝是碳纤维的前驱体，碳纤维的性能好坏关键在于原丝的质量，原丝的内部缺陷在碳化后几乎完全不变的保留在碳纤维中，聚丙烯腈原丝不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本。原丝质量成了我国碳纤维发展的一大“瓶颈”。

国内外对改进原丝质量及制备高性能碳纤维工艺的方法见诸报道。中国专利如CN101705523A报道了采用凝胶纺丝制备聚丙烯腈原丝的方法，CN101092761A公开了利用酚醛树脂改性聚丙烯制备纳米碳纤维的方法，CN101161880提到了用过硫酸铵-亚硫酸铵或亚硫酸氢铵为引发体系的水相悬浮共聚制备聚丙烯腈基碳纤维原丝，CN101245500A利用凹凸棒土纳米粒子对聚丙烯腈原丝进行改性后其力学性能得到改善，拉伸强度提高到6～9cN/dtex。美国专利US6054214报道了当丙烯腈以质量百分比为95％～98％，羧酸乙烯单体足以容纳摩尔比为1％～4％铵离子或胺这类共聚单体时可以催化促进分子间和分子内环化交链进而制得高性能碳纤维。

但利用酚醛树脂(PF)对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行改性，目前国内尚无文献或专利报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝及制备方法，该聚丙烯腈基原丝经预氧化处理后的纤维力学性能有较明显的提高，该制备方法步骤简单，操作简便，成本低，对设备的要求低，可规模化生产。

本发明的一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝，其成分为聚丙烯腈和酚醛树脂，其中酚醛树脂的重量百分比为0.1-15％。

所述聚丙烯腈是分子量为6-10万的碳纤维专用聚丙烯腈；酚醛树脂为环氧改性热塑性酚醛树脂(市售)。

所述酚醛树脂改性聚丙烯腈基原丝，经预氧化后的纤度为6.72-8.09dtex，拉伸强度为2.71-6.72cN/dtex。

本发明的一种酚醛树脂改性聚丙烯腈基原丝的制备方法，包括：

(1)纺丝原液的制备：

将聚丙烯腈和有机溶剂混合，在80-100℃下，溶胀2-4小时后搅拌1-3小时，然后加入干燥的酚醛树脂，搅拌0.5-2小时，得纺丝原液；其中酚醛树脂占酚醛树脂和聚丙烯腈重量之和的0.1-15％，酚醛树脂和聚丙烯腈的重量之和与有机溶剂的重量比为2-3∶15。

(2)纺丝：

上述的纺丝原液经喷丝头挤出后直接进入凝固浴，在凝固浴中成型，然后经过凝固浴拉伸、水浴和上油过程，即得含重量百分比为0.1-15％酚醛树脂的原丝。

步骤(1)中所述的酚醛树脂为市售的环氧改性热塑性酚醛树脂，所述的有机溶剂是工业纯二甲亚砜(DMSO)。

步骤(2)中所述的纺丝条件是：泵供量为1.1-1.4g/min，喷丝为30-60孔。

步骤(2)中所述的凝固浴是体积比为50∶50的纯水和有机溶剂的混合溶液，温度为25℃，其中有机溶剂优先DMSO。

步骤(2)中所述的拉伸的拉伸倍数为5.0-6.2倍。

步骤(2)中所述的水浴中第一水洗浴为温度70℃的去离子水，第二水洗浴为温度为90℃的去离子水。

步骤(2)中所述的上油中的油为聚丙烯腈基碳纤维专用油剂，其主要成份为二甲基硅氧烷。