防静电用碳纤维及其制备方法

专利名称:防静电用碳纤维及其制备方法
防静电用碳纤维及其制备方法技术领域：
本发明涉及一种碳纤维及其制备方法，尤其涉及一种适于防静电领域应用的具有宽 范围电阻率特征的碳纤维及其制备方法，属于新材料领域。
技术背景静电是由物体间的相互摩擦或感应而产生的，如气体的输送和排出，液体的搅拌和 喷涂，固体的粉碎和研磨，粉尘的混合和筛分等，都会产生静电，静电防护稍有疏忽， 就可能导致火灾、爆炸和人身触电，有时则千扰正常生产和影响产品质量，因此必须对 静电采取切实可行的防护措施，工业生产中往往采用在产品或工件表面喷涂防静电涂料 达到消除静电危害的目的。现用的防静电涂料中，起防静电作用的主要添加剂为金属粉 或石墨粉，二者虽具有良好的导电性，但金i粉易氧化，石墨粉附着力差，而且在涂层 中都难于形成连续的导电网络，不能达到理想的防静电效果。此外最终形成的防静电涂 层还应具有良好的抗冲击性、耐磨性和耐蚀性等性能，现用的防静电涂料很难完全满足 这些要求。公开号为CN1632002的中国专利公开了一种防静电涂料的制备方法，主要以 膨胀石墨材料与有机成膜物质和溶剂等混合制得，其导电性和抗冲击性较差；公开号为 CN1422919的本国专利公开了纳米聚氨酯防静电涂料及其制备方法，主要以云母作为导 电剂与纳米聚氨酯混合制得，耐磨性提高，但导电效果较差；公开号为CN1085927的本 国专利公开了一种防静电涂料的制备方法，主要是铝粉与聚氨酯等混合制得，其导电性 和耐磨性等性能也不理想。碳纤维具有良好的导电性、耐蚀性和耐磨性等性能，是理想的防静电涂料的添加剂， 公开号为CN1286931C的本国专利公开了一种碳纤维导静电涂料及其制备方法，是将石 墨化的短切碳纤维与环氧树脂混合制得，导电性和耐蚀性等较好，但应用领域有限，无 法满足某些特殊领域如飞机雷达罩等部件静电防护的特殊要求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适于防静电领域应用的具有 宽范围电阻率特征的碳纤维及其制备方法。利用本发明方法获得的防静电用碳纤维可以 充分满足飞机、油罐、电子行业等特殊领域对防静电防护的高要求。本发明所述防静电用碳纤维由聚丙烯腈纤维制成，其中碳含量以重量百分比计大于 68%,碳纤维电阻率为1X108 1.5X10—3Q cm，碳纤维直径5 10um。上述聚丙烯腈纤维的组分为大于92wtW的丙烯腈和余量的至少一种衣康酸、丙烯 酸、衣康酸胺、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸。上述聚丙烯腈纤维的制备方法是将组分量的丙烯腈与余量的至少一种衣康酸、丙烯 酸、衣康酸胺、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸进行共聚合，获得纺丝原液，通过湿法纺丝或 干喷湿纺制得聚丙烯腈纤维。本发明所述防静电用碳纤维的制备方法，步骤包括对聚丙烯腈纤维的预氧化，中温 碳化，高温碳化；其特征是(1) 预氧化:将聚丙烯腈纤维保持张紧状态，在空气介质中于190 28(TC进行热 处理，牵伸率为0 10%，加热时间为45 65min;(2) 中温碳化.在惰性气体保护下或真空状态中于300 80(TC进行热处理，牵伸 率为0 5%， 5 20min;(3) 高温碳化在惰性气体保护下或真空状态中于1000 160(TC进行热处理，牵 伸率为-5% 1%， 2 10min。进一步的，优选的本发明所述防静电用碳纤维的制备方法是(1) 预氧化将聚丙烯腈纤维保持张紧状态，在空气介质中于230 270'C进行热 处理，牵伸率为2 10%，加热时间为50 60min;(2) 中温碳化:在惰性气体保护下或真空状态中于400 75(TC进行热处理，牵伸 率为0 5%， 6 10min;(3) 高温碳化在惰性气体保护下或真空状态中于1000 1300'C进行热处理，牵 伸率为-5% 1%， 5 8min。本发明所述的防静电用碳纤维在制备防静电涂层材料中的应用。其中所述应用是将所述防静电用碳纤维短切为1 10mrn,以体积比计按碳纤维聚氨酯涂料溶剂环己酮=0. 0005:1. 2 0.8:3 5的比例进行配料制备防静电涂层材料。进一步优选的是将所述防静电用碳纤维短切为2 7mm,以体积比计按碳纤维:聚 氨酯涂料:溶剂环己酮=0. 0005:1:4的比例进行配料制备防静电涂层材料。利用本发明所述碳纤维作为防静电添加剂获得的防静电涂层不仅具有良好的抗冲 击性、耐磨性和耐蚀性，而且具有良好的防静电性能，能够充分满足飞机、油罐、电子 行业等特殊领域对防静电防护的高要求。
具体实施方式
下面给出本发明的几个实施例，但所述实施例并不限制本发明。 实施例l:丙烯腈98wt先和衣康酸2wtW作为共聚单体进行聚合，湿法纺丝制得聚丙 烯腈原丝，在230 25(TC范围进行预氧化，牵伸率4%，然后经500 700。C中温碳化， 1200 140(TC进行高温碳化，制得具有电阻率为1 9.5X10—3Q cm，碳含量大于94%， 纤维直径7um的碳纤维。将该碳纤维短切为3 6mm，按碳纤维聚氨酯涂料溶剂环己 酮=0. 0005:1:4的比例(体积比)进行配料并获得防静电涂层，测得绝缘电阻值为0.01 0. 1MQ。实施例2:丙烯腈92讨％、衣康酸2讨％和丙烯酸甲酯6%作为共聚单体进行聚合，湿 法纺丝制得聚丙烯腈原丝，在190 260。C范围进行预氧化，牵伸率8%，然后经300 500 'C中温碳化，IOO(TC进行高温碳化，制得具有电阻率为2.5 6.0X10— cm，碳含量 大于84%，纤维直径5um的碳纤维。将该碳纤维短切为3 6mm，按碳纤维聚氨酯涂料 溶剂环己酮-O. 0005:1:4的比例(体积比)进行配料并获得防静电涂层，测得绝缘电阻 值为0. 1 5MQ 。实施例3:丙烯腈99wtW和衣康酸胺lwtM作为共聚单体进行聚合，湿法纺丝制得聚 丙烯腈原丝，在250 27(TC范围进行预氧化，牵伸率7%，然后经700 800°C中温碳化， 1000 1300'C进行高温碳化，制得具有电阻率为2X10—3 5X102Q cm，碳含量大于68%,纤维直径9um的碳纤维。将该碳纤维短切为2 4mra,按碳纤维聚氨酯涂料溶 剂环己酮=0. 0005:1:4的比例(体积比)进行配料并获得防静电涂层，测得绝缘电阻值 为0. 01 100M'Q。实施例4:丙烯腈92wt9L衣康酸2对%和丙烯酸甲酯6%作为共聚单体进行聚合，干 湿法纺丝制得聚丙烯腈原丝，在240 275'C范围进行预氧化50min，.牵伸率10%,然后 经600 700。C中温碳化8min， 1300 1400。C进行高温碳化7min,制得具有电阻率为 1. 5 9X cm,碳含量大于68%，纤维直径6um的碳纤维。将该碳纤维短切为3 6mm，按碳纤维聚氨酯涂料溶剂环己酮=0. 0005:1:4的比例(体积比)进行配料并 获得防静电涂层，测得绝缘电阻值为0.5 60MQ。
权利要求
1.一种防静电用碳纤维，其特征是所述碳纤维由聚丙烯腈纤维制成，其中碳含量以重量百分比计大于68％，碳纤维电阻率为1×108～1.5×10-3Ω·cm，碳纤维直径5～10um。
1、 PP切片干燥、增粘PP切片投料进入干燥系统以后，本发明将切片置 于一种高温、高真空度、高回流性的环境中进行除湿及增粘。由于切片实际上 重新参与了一种聚合反应，因此会伴有许多副产物出现。本系统加装有一套小 分子物质回收装置，可以很好地去除这些可能影响主反应的东西，以确保正常 反应的实现。在整个干燥、增粘过程中，切片完全以平推流的形式在加热器内 流动，所以能够保证所有的切片在加热器内停留时间的一致性，整个工艺流程 中没有机械搅拌，切片在一个温和的环境下进行固相增粘，这样在增粘过程中 不会产生额外的粉尘，保证了高粘切片的纯净度和粘度均匀性，整个输送系统 都使用纯净的氮气作为工作介质，避免产生粉尘，螺杆入口由于氮气保护也不 会发生降解。
2、 熔融纺丝高粘切片经螺杆挤出机熔融挤压，从喷丝孔喷出后，经缓冷， 侧吹风冷却成型后上油。
3、 高温拉伸、热定型釆用5辊牵伸工艺，两级拉伸、两级热松弛，第一步拉伸温度70 95 °C ，拉伸比为3.8 4.2，第二步拉伸温度125 145°C， 拉伸比为1.42 1.45 ，总拉伸比为5.7 6.0,第一步热定型温度100 110 °C ，松弛比4.4 % 4.6% ，第二步热定型温度135 150°C ，松弛比7. 4 7.6%，总松弛比为11% 12%。我们通过大量试验后发现松弛比越大，巻绕张 力越小，产品的断裂强度越高，但是在两级松弛的对应关系上，如果一级松弛 过大，纺况总是不理想，丝条在最后一对热辊上跳动比较明显，容易产生断头。 因为在松弛过程中，由于丝条张力在后三对辊之间，逐渐减小，在几对热辊上 张力传递现象比较明显， 一级松弛过大，导致二级松弛过程中，丝条中张力差 异变大，热辊上不同的丝束之间相对滑移，容易产生跳丝，引起断头。采用两 级松弛的优点是可以延长松弛热定型的时间，使纤维中的不稳定取向结构解取 向形成较大尺寸的结晶结构，但是两级松弛的配比必须合理，要尽量减少丝束 张力在热辊上的传递，控制丝束在热辊上的相对滑移，因此巻绕张力与1、 2级 松弛比要合理搭配，才能保证稳定的纺丝状况。
专利摘要
本发明公开了一种防静电用碳纤维，由聚丙烯腈纤维制成，其中碳含量以重量百分比计大于68％，碳纤维电阻率为1×10⁸～1.5×10^-3Ω·cm，碳纤维直径5～10um。所述聚丙烯腈纤维经预氧化和碳化后能制得具有不同电阻率的防静电用碳纤维，利用本发明所述碳纤维作为防静电添加剂获得的防静电涂层不仅具有良好的抗冲击性、耐磨性和耐蚀性，而且具有良好的防静电性能，能够充分满足飞机、油罐、电子行业等特殊领域对防静电防护的高要求。
文档编号D01F9/22GKCN101220535SQ200810014043
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月23日
发明者于美杰, 波 朱, 王成国, 婕 马 申请人:山东大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan