专利名称：一种液态聚丙烯腈低聚物上浆剂及其在碳纤维上的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维的上浆剂及其应用，属于化工材料领域。
背景技术：
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热、抗辐射、减震、降噪等一系列优良的综合性能，已广泛应用于航天航空、国防军事等尖端领域， 是战略核武器、和新一代战斗机等先进武器装备以及发展新型卫星、飞船等国防高技术必不可少的原材料。另外，碳纤维在民航客机、清洁能源、土木建筑、石油工业、交通运输、体育娱乐、纺织、化工等国民经济不同领域都有广阔的应用。我国碳纤维研发与生产技术仍处于较低的水平，虽已能生产接近日本东丽公司T300水平的碳纤维产品，但其产品的强度低、 均勻性、稳定性差，与国际先进水平有较大差距。高性能碳纤维的工业化生产尚属空白，高性能碳纤维长期依赖进口，这严重影响我国高技术的发展，尤其抑制了航空航天及国防军工事业。由于国外发达国家对碳纤维技术封锁和产品禁运，使我国碳纤维进口困难且价格高，限制了我国碳纤维相关行业的发展。因此，亟需开展高性能碳纤维项目的技术突破及产业化开发。碳纤维经过碳化和石墨化之后，需要经过上浆处理，上浆处理的目的是赋予碳纤维优良的抱合力、改进平滑性和耐磨性及可铺开性，使碳纤维在织造时可抑制毛丝和断丝， 而且当需要制作片材或单向预浸料时便于使各单丝铺平，此外可改进与树脂的粘合性，提高层间剪切强度和加工性能。专利上发表的上浆剂种类呈现多样化，有含羧基和醚键类化合物、含酰胺及酯类化合物、不同双酚类化合物及混合物、聚亚烃基醚环氧化合物、多氧化乙烯(多)苯基醚类、 不同醇类化合物与不同脂肪酸混合物所形成的酯类、多氧化乙烯与多氧化丙烯相嵌共聚加成的十二烷醚或两者无规共聚加成的蓖麻油、环氧树脂加非离子乳化剂、聚氨酯为主成分的改性物、各种环氧树脂及其混合物(如混入甲乙酮溶液或氨酯类化合物)、聚酰胺酰亚胺类上浆剂等等(参见罗益锋，“国外PAN原丝及碳纤维专利分析报告( ”，高科技纤维与应用，2007，32 (1)，4-7)。然而，这些上浆剂不能耐高温，易分解，高温条件下其碳纤维复合材料层间强度下降，造成层间破坏；此外，传统环氧树脂类上浆剂与碳纤维结合作用较弱， 不利于制备高性能的碳纤维。
发明内容
本发明的目的就是提供一种性能优良，无需溶剂，具有补强作用的液态聚丙烯腈低聚物的上浆剂，经过该上浆剂处理的聚丙烯腈(PAN)基、浙青基和粘胶基碳纤维，不仅提高了其表面性能，力学性能和耐高温性，而且还有效修复了碳丝中的微结构缺陷，改善了材料的结构完整性。本发明另一个的目的在于提供了一种上述上浆剂在聚丙烯腈(PAN)基、浙青基和粘胶基碳纤维上的应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种液态聚丙烯腈低聚物的上浆剂，是通过如下步骤得到的1)采用自由基聚合方法(溶液聚合或乳液聚合)，将丙烯腈AN(CH2 = CH-CN)在引发剂的自由基作用下，通过含活泼氢的分子量调节剂(如十二烷基硫醇、丁基硫醇)合成得到液态聚丙烯腈低聚物(LPAN)，其中合成反应在常规化学反应器(釜)中进行，反应温度控制在20 80°C，反应时间大于5分钟。LPAN的结构式为
权利要求
1. 一种液态聚丙烯腈低聚物的上浆剂，其特征在于通过采用自由基聚合方法将丙烯腈在引发剂的自由基作用下，合成得到液态聚丙烯腈低聚物LPAN，其结构式为，分子量为100-2000 ；然后将该液态聚丙烯腈低聚物经过100 250°C热氧化处理，得到碳含量大于80%的具有环状结构的热氧化物上浆剂，该热氧化物上浆剂上带有氨基、腈基和羟基。
2.一种如权利要求1所述的液态聚丙烯腈低聚物的上浆剂，其特征在于合成液态聚丙烯腈低聚物LPAN是在常规化学反应器或反应釜中进行反应，反应温度控制在20 80°C，反应时间大于5分钟。
3.—种如权利要求1或2所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于所述的碳纤维为聚丙烯腈基，浙青基或者粘胶基碳纤维。
4.根据权利要求3所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于所述的上浆剂单独浸渍碳纤维材料或者作为主浆料与溶剂或其它助剂配制成乳化液或有机溶液之后使用，或者与其它上浆剂混合使用。
5.根据权利要求4所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于所述的助剂由乳化剂和有机消泡剂组成，其中的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、山梨糖醇酐单硬脂酸酯聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚中的任意一种或其混合物，助剂质量占主浆料质量的0% 60%。
6.根据权利要求4所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于所述的其它上浆剂为缩水甘油基型环氧树脂的乳化液，环氧树脂为E-M、E-51、E-44、E-42、 E-35 或 E-31。
7.根据权利要求3所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于该液态聚丙烯腈低聚物上浆剂对碳纤维的上浆方式分为浸渍渗透和热氧化处理两个阶段。
8.根据权利要求7所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于将浸渍了上浆剂的碳纤维置于空气气氛的鼓风烘箱里进行热氧化处理，温度为200 300°C，10 120min.，然后或/和在惰性气体条件下，温度400 600°C，5 30min.。
9.根据权利要求3所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂在碳纤维上的应用，其特征在于所述的液态聚丙烯腈低聚物上浆剂对碳化丝的上浆方式是采用浸渍于浴槽中，或采用铺平的丝束接触于含上浆剂的旋转辊筒表面。
全文摘要
本发明属于化工材料领域，具体涉及一种液态聚丙烯腈低聚物上浆剂及其在碳纤维上的应用。采用自由基聚合方法制备液态聚丙烯腈低聚物，通过热氧化处理得到高碳含量的具有环状结构的聚丙烯腈，进一步配制成上浆剂。将聚丙烯腈低聚物液体上浆剂单独或混合之后浸渍碳纤维(碳化丝)，使液体或溶液附着于碳纤维的表面，形成聚丙烯腈膜，同时渗透进入结构缺陷中，在一定温度、气氛等工艺条件下进行热处理，获得一层薄的保护膜，并使碳纤维结构缺陷获得部分或全部修复，材料的力学性能得以较大提高，从而获得高性能碳纤维。
文档编号D06M101/40GK102212965SQ20091021583
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者刘剑洪, 徐坚, 贵大勇 申请人:刘剑洪, 徐坚, 贵大勇