本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液及其制备方法。
背景技术：
聚丙烯腈基碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热等一系列优异性能，在航空航天、国防、核能、交通运输、体用用品、医疗器械等军民行业有着广泛的应用。干湿法纺丝的特点是可以实现高速纺丝，提高设备利用效率和降低成本，并且干湿法纺制的碳纤维表面缺陷少，有利于制备高性能碳纤维，是碳纤维制备技术领域发展的重要方向。但干湿法纺丝对纺丝原液粘度和聚合物分子量指标有较高要求，制备稳定的纺丝原液是干湿法工业化连续纺制碳纤维原丝的首要条件。专利200710056083.6提出一种以偶氮二异庚腈为引发剂制备高分子量丙烯腈共聚物纺丝液的方法，所得共聚物分子量在10-90万之间，但该体系聚合物分子量较大时体系粘度过大，可纺性较差。专利201310514386.3提供了一种粘度可控的聚丙烯腈碳纤维纺丝原液的制备方法，该方法主要通过制备低分子量产物获得粘度20-120pa·s的纺丝原液，该方法制备的纺丝原液分子量和粘度较低，难以保证干湿法纺丝的稳定运行，并且第二单体采用丙烯磺酸钠或甲基丙烯磺酸钠，钠元素的存在伤害纺丝原液的稳定性和碳纤维结构，不利于碳纤维的制备。专利201410584734.9提出利用分批加料法制备超高分子量纺丝原液，专利200910234653.5提出利用分步聚合制备一种高粘度纺丝原液的方法，专利200510016572.x以丙烯腈、衣康酸和β-衣康酸酰胺为单体进行共聚合反应，制备一种高性能聚丙烯腈基碳纤维纺丝液。这些制备方法在聚合物分子量较高时均缺少纺丝原液粘度的有效调控手段，不利于连续、稳定地纺制碳纤维原丝。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有纺丝原液聚合物分子量较高时粘度不易调控,提供一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是以二甲基亚砜为反应介质，偶氮类化合物为引发剂，丙烯腈为第1单体，衣康酸或其衍生物为第2单体，丙烯酸或其衍生物为第3单体进行共聚合反应，然后经脱单调制粘度、脱泡制成。
进一步，所述各组分原料的添加重量份为：二甲基亚砜200份、偶氮类化合物0.05-0.5份、丙烯腈30-80份、衣康酸或其衍生物0.1-2份、丙烯酸或其衍生物为0.01-2份。在该配比下，可有效获得特性粘度为1.6-5dl/g的高粘度聚丙烯腈共聚物聚合液体系，并且体系固含量高，有利于提高生产率。
再进一步，所述偶氮类化合物为偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈或偶氮二异丁酸二甲酯中的一种。上述化合物在聚合条件下分解引发速度适当，反应易控制。
更进一步，所述衣康酸的衍生物为衣康酸铵、衣康酸甲酯或衣康酸乙酯中的一种或几种以任意比的混合物。
更进一步，所述丙烯酸的衍生物为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯中的一种或几种以任意比的混合物。
一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：惰性气体保护状态下，将二甲基亚砜、偶氮类化合物、丙烯腈、衣康酸或其衍生物、丙烯酸或其衍生物加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，至共聚合产物的特性粘度为1.6-5dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8-9；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体1-8h，至残留丙烯腈质量浓度小于0.1％，并利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至120-600pa·s；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至0.01-30kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，连续或静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
进一步，所述聚合阶段各组分原料的添加重量份为：二甲基亚砜200份、偶氮类化合物0.05-0.5份、丙烯腈30-80份、衣康酸或其衍生物0.1-2份、丙烯酸或其衍生物为0.1-2份。在该配比下，可有效获得共聚合产物特性粘度为1.6-5dl/g的高粘度聚合液体系，并且体系固含量高，有利于提高生产率。
再进一步，所述共聚合反应的反应温度为45-75℃，搅拌速率为20-150r/min。聚合温度超过75℃，聚合反应速度快，易导致爆聚或聚合产物分子量较低；搅拌速率超过150r/min，剪切力大，不易获得高分子量聚合产物，搅拌速率低于20r/min，聚合反应热不易及时除去。
更进一步，所述脱单阶段脱单釜内温度为60-80℃，加入的二甲基亚砜的温度与脱单釜内的温度相同。温度超过80℃，聚合物不稳定，温度低于60℃,脱单速度过慢，脱单效率低。
更进一步，所述脱单阶段聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度。
本发明针对现有技术存在的不足，首先通过调节体系组分配比结合搅拌转速设置，以共聚合产物的特性粘度为指标，制备高分子量高粘度聚合体系，在聚合阶段获得适合干湿法纺丝的高分子量共聚物，然后在脱单阶段利用外加溶剂调节体系的动力粘度，脱泡后得到适合干湿法纺丝的纺丝原液体系。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
聚合阶段调控共聚物的分子量，脱单阶段调控体系的粘度，分步调控纺丝原液所需的技术指标，较易制备性能均一的纺丝原液，有利于干湿法稳定连续地纺制碳纤维原丝。
采用本发明的方案，制备的纺丝原液的特性粘度为1.6-5dl/g，动力粘度为120-600pa·s，残留丙烯腈质量浓度小于0.1％，取得了较好的技术效果。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.05kg、丙烯腈40kg、衣康酸0.15kg、丙烯酸0.01kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.05kg、丙烯腈30kg、衣康酸0.1kg、丙烯酸0.01kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为75℃，搅拌速率为150r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为1.6dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为80℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体1h，残留丙烯腈质量浓度为0.1％，并利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至120pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为80℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至5kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，进一步抽真空至0.01kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为1.6dl/g，动力粘度为120pa·s。
实施例2
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.5kg、丙烯腈65kg、衣康酸2kg、丙烯酸甲酯2kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.5kg、丙烯腈65kg、衣康酸2kg、丙烯酸甲酯2kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为45℃，搅拌速率为20r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为5dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.5；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为70℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体8h，残留丙烯腈质量浓度为0.095％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至600pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为70℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至30kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，连续脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为5dl/g，动力粘度为600pa·s。
实施例3
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.12kg、丙烯腈60kg、衣康酸0.6kg、丙烯酸甲酯0.2kg，甲基丙烯酸甲酯0.8kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.12kg、丙烯腈60kg、衣康酸0.6kg、丙烯酸甲酯0.2kg，甲基丙烯酸甲酯0.8kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为58℃，搅拌速率为80r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为4.0dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至9；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为75℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体8h，残留丙烯腈质量浓度为0.096％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至420pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为75℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至30kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至5kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为4.0dl/g，动力粘度为420pa·s。
实施例4
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.14kg、丙烯腈40kg、衣康酸铵0.9kg、丙烯酸0.9kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.14kg、丙烯腈40kg、衣康酸铵0.9kg、丙烯酸0.9kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为62℃，搅拌速率为80r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为3.8dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.7；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为80℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体5h，残留丙烯腈质量浓度为0.092％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至280pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为80℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至18kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至3kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为3.8dl/g，动力粘度为280pa·s。
实施例5
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.09kg、丙烯腈40kg、衣康酸甲酯1.2kg、丙烯酸乙酯0.9kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.09kg、丙烯腈40kg、衣康酸甲酯1.2kg、丙烯酸乙酯0.9kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为60℃，搅拌速率为85r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为3dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.3；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为70℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体4.5h，残留丙烯腈质量浓度为0.081％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至328pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为70℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至18kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至3kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为3dl/g，动力粘度为328pa·s。
实施例6
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.2kg、丙烯腈50kg、衣康酸乙酯1.5kg、甲基丙烯酸甲酯0.1kg，甲基丙烯酸乙酯0.8kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.2kg、丙烯腈50kg、衣康酸乙酯1.5kg、甲基丙烯酸甲酯0.1kg，甲基丙烯酸乙酯0.8kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为65℃，搅拌速率为100r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为2.8dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.8；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为65℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体6h，残留丙烯腈质量浓度为0.075％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至220pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为65℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至18kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至3kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为2.8dl/g，动力粘度为220pa·s。
实施例7
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.1kg、丙烯腈80kg、衣康酸铵0.2kg、衣康酸甲酯0.1kg、丙烯酸0.5kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁腈0.1kg、丙烯腈80kg、衣康酸铵0.2kg、衣康酸甲酯0.1kg、丙烯酸0.5kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为65℃，搅拌速率为150r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为4.5dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.5；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为60℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体8h，残留丙烯腈质量浓度为0.094％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至400pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为80℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至2kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，连续脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为4.5dl/g，动力粘度为400pa·s。
实施例8
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.05kg、丙烯腈35kg、衣康酸1.2kg、衣康酸乙酯0.8kg、甲基丙烯酸乙酯0.01kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异戊腈0.05kg、丙烯腈35kg、衣康酸1.2kg、衣康酸乙酯0.8kg、甲基丙烯酸乙酯0.01kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为58℃，搅拌速率为120r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为3.5dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.9；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为80℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体6h，残留丙烯腈质量浓度为0.088％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至260pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为80℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至10kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至1kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为3.5dl/g，动力粘度为260pa·s。
实施例9
本实施例中的一种聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液，是由以下原料制成：二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.4kg、丙烯腈30kg、衣康酸甲酯1kg、衣康酸乙酯0.5kg、丙烯酸乙酯0.01kg、甲基丙烯酸甲酯0.01kg。
上述聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液的制备方法，包括以下步骤：
1)聚合阶段：氮气保护状态下，将二甲基亚砜200kg、偶氮二异丁酸二甲酯0.4kg、丙烯腈30kg、衣康酸甲酯1kg、衣康酸乙酯0.5kg、丙烯酸乙酯0.01kg、甲基丙烯酸甲酯0.01kg加入带有搅拌的反应器中进行共聚合反应，聚合反应温度为60℃，搅拌速率为120r/min，使用乌氏粘度计测定共聚合产物的特性粘度，至共聚合产物的特性粘度为2.4dl/g时，加入氨调节聚合液ph值至8.2；
2)脱单阶段：调节ph值后的聚合液用泵打入脱单釜，脱单釜内温度为70℃，用旋转薄膜蒸发法脱除未反应单体6h，残留丙烯腈质量浓度为0.081％，之后利用二甲基亚砜调节聚合液动力粘度至160pa·s，其中，二甲基亚砜的加入温度为70℃，聚合液动力粘度为使用落球法测定的40℃时聚合液的粘度；
3)脱泡阶段：脱泡单元设备抽真空至10kpa，将调好粘度的聚合液引入脱泡单元设备，抽真空至1kpa，静置脱泡完全后即得到聚丙烯腈基碳纤维干湿法纺丝原液。
所得纺丝原液的共聚合产物的特性粘度为2.4dl/g，动力粘度为160pa·s。
实施例1-9制备的纺丝原液经干喷湿纺纺丝、凝固成型、水洗、热牵、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、松弛定型，制备聚丙烯腈原丝，控制原丝直径为8-9μm,取向度≥94％。所得聚丙烯腈原丝经210℃-220℃-230℃-240℃-250℃-260℃六级预氧化、350℃-400℃-500℃-600℃-700℃-800℃六级低温碳化、1000℃-1200℃-1400℃三级高温碳化得到高强度聚丙烯腈碳纤维，聚丙烯腈原丝及碳纤维的测试结果见表1.
表1聚丙烯腈原丝性能及碳纤维拉伸强度
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。