专利名称：丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维及碳纤维制备方法
技术领域：
本发明涉及目的在于提供高强度碳纤维的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维和碳纤维制备方法。具体地，本发明涉及碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂(下文中有时称为前体整理剂)，其用于制备碳纤维制备用丙烯酸系纤维(下文中有时称为前体)以获得高纤维强度；应用了整理剂的碳纤维制备用丙烯酸系纤维；以及采用整理剂的碳纤维制备方法。
背景技术：
碳纤维用作增强复合材料的纤维，所述复合材料包括由于优异的机械性能而通常被称为基体树脂的塑料，并且碳纤维广泛地应用在多种最终用途中，包括航天工业、运动商品工业以及其他普通工业。制备碳纤维的一般方法包括制备前体的过程(也称为纤维制备过程)，将该前体在氧化气氛中在200至300°C转化为氧化纤维的过程(后文中有时称为氧化稳定化过程)， 以及将氧化纤维在惰性气氛中在300至2，000°C碳化的过程(有时称为碳化过程)。氧化稳定化和碳化过程在后文中有时总体地称为烘焙过程。制备前体的过程包括拉伸步骤，其中将丙烯酸系纤维以比普通丙烯酸系纤维更高的拉伸比拉伸。在拉伸步骤，丙烯酸系纤维易于附着于相邻的纤维线，以高的拉伸比不均勻地拉伸，并且加工成不均勻的前体。这样的不均勻前体造成问题，即，通过烘焙前体而产生所得碳纤维的强度不足。烘焙过程还造成其他问题，即，使单根的前体纤维融合，这降低所得碳纤维的质量和等级。为了防止单根前体纤维的粘合以及碳纤维的融合，提出了许多对前体施用整理剂的技术(参见专利文献1和幻，并且所述技术广泛地应用于工业中，其中使用在高温具有低的纤维与纤维湿摩擦力以及具有优异的纤维分离能力的硅氧烷整理剂，尤其是包含氨基改性的硅氧烷的整理剂，这种包含氨基改性的硅氧烷的整理剂在纤维上交联而改善纤维的耐热性。然而，那些硅氧烷整理剂有时未能制成具有足够强度的碳纤维。[现有技术文献][专利文献][专利文献 1] JP A 60-181322[专利文献 2] JP A 2001-172879
发明内容
技术问题基于传统技术和背景，本发明旨在提供能够提供高强度碳纤维的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂、碳纤维制备用丙烯酸系纤维以及碳纤维制备方法。技术方案硅氧烷整理剂通常分散在水中制成乳液，目的在于将它们均勻地并且在工业工艺中安全地应用于前体。对于自乳化性质差的硅氧烷整理剂，将多种表面活性剂加入该整理剂中作为乳化剂以使那些整理剂成为乳液。本发明的发明人勤勉工作以解决上述问题，并且发现那些乳化剂在整理剂乳液脱水并完全干燥后常常变得与硅氧烷组分不相容。本发明人还发现，在含有那些硅氧烷组分和乳化剂的硅氧烷整理剂乳液施用于前体并干燥后，这样的硅氧烷组分和乳化剂在前体表面上分离并且在前体表面上得到不均勻的涂层。本发明人进一步发现，该不均勻的涂层是在前体转化为碳纤维的烘焙过程中前体不均勻受热的原因之一，并且也是所得碳纤维的强度不足的原因。本发明人还发现的是，含有在高温实现低的湿纤维与纤维摩擦力并且对前体纤维赋予优异的分离性能的硅氧烷组分有时导致前体纤维束差的内聚性，这容易导致单根纤维的分离，并随后在前体纤维制备和烘焙过程中造成纤维破裂，从而导致碳纤维在烘焙过程后强度不足。本发明人由于发现含有特定的改性硅氧烷和表面活性剂作为基本组分的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂能够改善完全干燥的整理剂膜的均勻性和前体纤维束的内聚性，以致解决上述问题，从而完成了本发明。本发明提供含有环氧-聚醚-改性的硅氧烷和表面活性剂作为基本组分的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，其中，在整理剂的非挥发性组分中，环氧-聚醚-改性的硅氧烷的重量比在1至95重量％的范围内，并且表面活性剂的重量比在5至50重量％的范围内。环氧-聚醚-改性的硅氧烷应当优选为下列各项改性二甲基聚硅氧烷，该改性二甲基聚硅氧烷是用同时含有(聚)氧化烯基和环氧基的取代基改性的；或者改性二甲基聚硅氧烷，该改性二甲基聚硅氧烷是用两种不同取代基改性的，所述两个不同取代基是含有环氧基的取代基和含有(聚)氧化烯基的取代基。环氧-聚醚-改性的硅氧烷应当优选为选自下列化学式(1)和( 表示的化合物中的至少一种化合物。[化学式1]
权利要求
1.一种碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，所述整理剂基本上包含 环氧-聚醚-改性的硅氧烷，和表面活性剂，其中，在所述整理剂的全部非挥发性组分中，所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷的重量比在1至95重量％的范围内，并且所述表面活性剂的重量比在5至50重量％的范围内。
2.根据权利要求1所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，其中所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷是由同时含有(聚)氧化烯基和环氧基的取代基改性的改性二甲基聚硅氧烷，或者是由含有环氧基的取代基和含有(聚)氧化烯基的取代基改性的二甲基聚硅氧烷。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，其中所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷是选自由下面所示的化学式(1)表示的化合物和由下面所示的化学式( 表示的化合物中的至少一种化合物 [化学式1]
4.根据权利要求2或3所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，其中所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷中包含的环氧基是缩水甘油基环氧基。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，所述整理剂还包含氨基改性的硅氧烷，其中在所述整理剂的全部非挥发性组分中，所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷和所述氨基改性的硅氧烷的总重量比在30至95重量％的范围内，并且所述环氧-聚醚-改性的硅氧烷和所述氨基改性的硅氧烷之间的重量比在5 95至 90 10的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，所述整理剂被分散在水中以形成乳液。
7.一种碳纤维制备用丙烯酸系纤维，所述碳纤维制备用丙烯酸系纤维是通过以下方法制备的将根据权利要求1至6中任一项所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂施用于丙烯酸系纤维，所述丙烯酸系纤维是用于碳纤维制备用丙烯酸系纤维的基本材料。
8.一种制备碳纤维的方法，所述方法包括纤维制备过程，即，通过将根据权利要求1至6中任一项所述的碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂施用于丙烯酸系纤维以制备碳纤维制备用丙烯酸系纤维，所述丙烯酸系纤维是用于碳纤维制备用丙烯酸系纤维的基本材料；氧化稳定化过程，即，将在所述纤维制备过程中制备的碳纤维制备用丙烯酸系纤维在氧化气氛中于200至300°C转化为氧化纤维；和碳化过程，即，将所述氧化纤维在惰性气氛中于300至2，000°C碳化。
全文摘要
一种碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂，对所得碳纤维的高强度做出贡献。碳纤维制备用丙烯酸系纤维整理剂包括环氧-聚醚-改性的硅氧烷和表面活性剂。环氧-聚醚-改性的硅氧烷和表面活性剂在整理剂的全部非挥发性组分中的重量比范围分别为1至95重量％和5至50重量％。碳纤维制备方法包括下列过程纤维制备过程，即，通过对丙烯酸系纤维施用整理剂来制备碳纤维制备用丙烯酸系纤维，所述丙烯酸系纤维是碳纤维制备用丙烯酸系纤维的基本材料；氧化稳定化过程，即，将在纤维制备过程中制备的丙烯酸系纤维在氧化气氛中于200至300℃转化为氧化纤维；以及碳化过程，即，将氧化纤维在惰性气氛中于300至2,000℃碳化。
文档编号D01F9/22GK102459748SQ20108002441
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年6月4日
发明者中山武圭, 中川干生, 桥本善夫 申请人:松本油脂制药株式会社