[发明专利]聚丙烯腈共聚物纺丝液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚丙烯腈制备领域，特别涉及一种粘度均匀、窄分子量分布的聚丙烯腈共聚物纺丝液及其快速稳定的制备方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性，是一种高性能纤维材料，已广泛应用于航空航天、国防建设、体育休闲用品、医疗器械和建筑等行业。聚丙烯腈基碳纤维具有突出的力学性能，是近年来碳纤维研究和工业化的热点。制约聚丙烯腈基碳纤维发展的关键是聚丙烯腈原丝的质量，而要获得优质聚丙烯腈原丝必须从合成高品质聚丙烯腈共聚物纺丝液和优化纺丝工艺两方面着手，只有性能优异的聚丙烯腈共聚物纺丝液才能纺制出优质的聚丙烯腈原丝，从而制备出高性能的聚丙烯腈基碳纤维。理论分析和实验研究表明，理想的聚丙烯腈共聚物应具有适当高分子量和窄分子量分布、适中而稳定的表观粘度、无支化和交联等不良结构；其中微观方面聚丙烯腈共聚物高分子链中共聚结构单元的组成、分布和宏观方面聚丙烯腈共聚物的稳定制备、粘度均匀是重要影响因素。

目前国内碳纤维用聚丙烯腈多是以偶氮类引发剂采用溶液聚合方法来制备，采用间歇聚合，由于丙烯腈聚合放热比较剧烈，并且在聚合后期的体系粘度较大，造成传质、传热困难，反应难以控制，从而使聚丙烯腈分子量分布变宽，凝胶含量增加，显著影响后续纤维性能的提高；首先从聚合物生产工艺的角度而言，间歇釜式聚合其主反应为非稳态过程，放热集中，粘度变化大，难以提供一种合理的搅拌形式兼顾聚合最初的低粘度快放热和聚合后期的高粘度慢放热，结果导致聚合时易发生向溶剂的链转移反应，不利于制备高分子量聚合物；其次在高转化率、高粘度阶段易发生凝胶效应，导致聚合原液分子量变化大，分布变宽；再者在聚合后期粘度极高，导致釜中物料搅拌混合困难，釜中物料撤热困难，易出现爆聚现象，因而聚合原液生产难以稳定进行。用这种共聚物纺制的原丝在微观物理结构和化学反应性上稳定性较差，对碳纤维稳定生产和性能均产生不利影响。

发明内容

本发明的一目的是克服上述已有技术存在的不足，提供一种粘度均匀、窄分子量分布的聚丙烯腈共聚物纺丝液。

本发明的再一目的是提供一种在含有静态混合器组件的管式反应器中完成丙烯腈的共聚合反应，平稳控制聚合过程，快速稳定合成粘度均匀、窄分子量分布的聚丙烯腈共聚物纺丝液的方法。

本发明的还一目的是提供一种含有静态混合器组件的管式反应器。

本发明采用在含有静态混合器组件的管式反应器中共聚合丙烯腈，利用含有静态混合器组件的管式反应器（原理上它属于平推流反应器，比较适合像聚丙烯腈纺丝原液这样的高粘体系，可以做到较好的强制、强化传质及传热，从而利于控制聚合过程的平稳，有助于稳定产物的粘度和窄化组成分布）具有传质、传热高效，反应连续平稳，无需机械搅拌等特点，制备高分子量、窄分子量分布的聚丙烯腈共聚物纺丝液。

本发明中所利用的含有静态混合器组件的管式反应器包括由在圆管内安装有静态混合器组件，且在圆管外安装有环管夹套的圆管、强制反应液流动的内循环泵及必要的连接附件等构成。

所述的含有静态混合器组件的管式反应器可通过在构成所述的管式反应器中的圆管上安装的法兰盘进行串联连接多个所述的圆管，组合成多段的含有静态混合器组件的管式反应器。

所述的圆管的一端通过管路与所述的内循环泵相连接，所述的内循环泵的另一端通过管路与所述的圆管的另一端相连接。

所述的内循环泵一端的管路上设置有原料进口，另一端的管路上设置有出料口。

所述的出料口之前的管路上进一步设置有取样口。

所述的内循环泵两端的管路上分别安装有压力表。

所述的管路上安装有温控传感器。

所述的环管夹套上分别设置有进水口及出水口。

所述的静态混合器组件是SK型、SX型、SH型等静态混合器组件中的一种或几种的组合。

所述的内循环泵是齿轮泵或其它形式符合要求的泵。

所述的进水口通过管路与外循环泵相连接；所述的外循环泵可以是水泵、齿轮泵或其它形式符合要求的泵。

所述的环管夹套中通有可控温的循环水介质，提供聚合初期所需的热量，聚合后期带走聚合热量，保持在含有静态混合器组件的管式反应器中的聚丙烯腈共聚合反应的温度稳定。

在聚丙烯腈中引入亲水共聚链段，构建聚丙烯腈共聚物，改善了纺丝液的热稳定性、提高了可纺性能。

本发明的聚丙烯腈共聚物纺丝液，不仅具有高的粘度均匀性、窄的分子量分布，并且具备高的分子量、快的聚合速率和具备优异的可纺性能。