聚丙烯腈原液及其制备方法和应用与流程

本发明涉及碳纤维制备领域，具体涉及一种聚丙烯腈原液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、聚丙烯腈(pan)原丝的结构和性能直接影响到最终碳纤维产品的质量，尤其是聚丙烯腈原丝的直径对碳纤维性能影响效果显著，原丝细旦化和高强化是提高碳纤维性能的关键途径，干喷湿纺可以有效提高聚丙烯腈原丝的拉伸取向程度，也是降低纤维线密度、提高强度的主要手段。

2、聚丙烯腈纺丝原液的相对分子质量、固含量和粘度对聚丙烯腈原丝生产过程的稳定性和质量有很大的影响。聚丙烯腈纺丝原液的相对分子质量越大，聚丙烯腈原丝的强度越高，但分子量过大会直接影响其可纺性，容易出现断丝、毛丝的现象；而聚丙烯腈纺丝原液的分子质量过低对原丝产品的强度和牵伸性影响较大，不利于制得高质量的原丝。另外，聚丙烯腈分子量分布宽时制得的纤维强度低和牵伸性差，且原丝均一性差，易出现断丝缠辊现象，形成毛丝。

3、聚丙烯腈纺丝原液要满足后续聚丙烯腈原丝高倍拉伸的要求，尤其是干喷湿纺工艺路线，需具备以下几个条件：(1)聚丙烯腈纺丝原液的固含量较高，可以控制原液在凝固浴中成型速度较慢，从而制得结构致密化的聚丙烯腈原丝；(2)聚丙烯腈分子量高且分子量分布较窄，聚丙烯腈分子量愈大，分子链末端数目愈少，原丝中的分子结构缺陷就会大大减少；(3)聚丙烯腈纺丝原液具有合适且可控的粘度，一方面要满足聚丙烯腈原丝高倍牵伸的要求，一方面要稳定可控，满足过滤要求且防止凝胶产生。

4、工业上聚丙烯腈碳纤维的主要制备方法分为均相溶液聚合和水相悬浮聚合两种。cn200910234654.x、cn200910234653.5、cn201210058764.7、cn201510434049.2等专利中公开了均相聚丙烯腈溶液的制备方法，并能够通过聚丙烯腈均相溶液制备聚丙烯腈基碳纤维，但均相溶液聚合体系粘度大、反应后期传质传热困难，从而导致制备过程中具有较差的工艺连续性和稳定性。

5、高分子量、高固含量的纺丝原液虽是提高聚丙烯腈原丝性能的重要方法，但随着聚丙烯腈相对分子质量提高，聚丙烯腈大分子链间的缠结也变得严重，导致粘度急速上升。粘度太大，一方面会使聚合反应所需的搅拌功率增大，增加设备能耗，体系散热难度更高，温度不均匀产生大量凝胶；另一方面会导致纺丝难度增大，对计量泵、精滤器、喷丝板的耐压性也会产生很大影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中存在的高分子量、高固含量的聚丙烯腈原液粘度较大的问题，提供了一种聚丙烯腈原液及其制备方法和应用，该聚丙烯腈原液具有固含量高、粘度适中、组成稳定且挤出均匀的特点，能够用于碳纤维制备领域。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种聚丙烯腈原液，所述聚丙烯腈原液包括以下组分：重均分子量为10万-21万g/mol的高分子量聚丙烯腈树脂，重均分子量为2万-6万g/mol的低分子量聚丙烯腈树脂和溶剂。

3、本发明第二方面提供了一种聚丙烯腈原液的制备方法，该方法包括：将高分子量聚丙烯腈树脂和低分子量聚丙烯腈树脂混合后用溶剂溶解，得到聚丙烯腈原液。

4、本发明第三方面提供了一种聚丙烯腈原液在碳纤维制备领域中的应用，可用于制备碳纤维用聚丙烯腈原丝；

5、优选地，所述聚丙烯腈原丝的制备方法选自干喷湿纺丝或湿纺，优选为干喷湿纺。

6、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

7、(1)本发明提供的聚丙烯腈原液具有固含量高、粘度适中、组成稳定且挤出均匀的特点，可以采用干喷湿纺或湿纺制备聚丙烯腈原丝，用于碳纤维制备领域；

8、(2)本发明采用水相沉淀聚合工艺制备聚丙烯腈原液，具有制备过程简单、适用范围广、实用性强的特点，可在较低温度、较短时间下获得较高的单体转化率，残余单体和杂质少，可以获得较高纯度的聚丙烯腈树脂颗粒；

9、(3)本发明提供的聚丙烯腈原液的制备方法，可以通过调控聚合反应中物料的混合比例及反应条件，实现对聚丙烯腈树脂颗粒分子量及其分布、颗粒尺寸及粒径分布的灵活控制，得到颗粒尺寸小且粒径分布窄的高分子量或低分子量聚丙烯腈树脂颗粒，将高分子量和低分子量的聚丙烯腈树脂颗粒混合后用溶剂溶解，通过调控高分子量和低分子量的聚丙烯腈树脂颗粒的混合比例，能够制备出固含量高、粘度适中、组成稳定且挤出均匀的聚丙烯腈原液。

技术特征：

1.一种聚丙烯腈原液，其特征在于，所述聚丙烯腈原液包括以下组分：重均分子量为10万-21万g/mol的高分子量聚丙烯腈树脂，重均分子量为2万-6万g/mol的低分子量聚丙烯腈树脂和溶剂。

2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原液，其中，

3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈原液，其中，

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的聚丙烯腈原液，其中，

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚丙烯腈原液，其中，所述高分子量聚丙烯腈树脂和低分子量聚丙烯腈树脂的制备方法各自包括：在保护气体、引发剂和水存在下，将丙烯腈单体、第一共聚单体和第二共聚单体进行聚合反应。

6.根据权利要求5所述的聚丙烯腈原液，其中，

7.根据权利要求5或6所述的聚丙烯腈原液，其中，

8.根据权利要求4-7中任意一项所述的聚丙烯腈原液，其中，

9.权利要求1-8中任意一项所述的聚丙烯腈原液的制备方法，其特征在于，该方法包括：将高分子量聚丙烯腈树脂和低分子量聚丙烯腈树脂混合后用溶剂溶解，得到聚丙烯腈原液。

10.权利要求1-8中任意一项所述的聚丙烯腈原液在碳纤维制备领域中的应用，可用于制备碳纤维用聚丙烯腈原丝；

技术总结本发明涉及碳纤维制备领域，公开了一种聚丙烯腈原液及其制备方法和应用，所述聚丙烯腈原液包括以下组分：重均分子量为10万‑21万g/mol的高分子量聚丙烯腈树脂，重均分子量为2万‑6万g/mol的低分子量聚丙烯腈树脂和溶剂。本发明采用水相沉淀聚合工艺将高分子量和低分子量的聚丙烯腈树脂颗粒按特定比例混合后用溶剂溶解，制备出固含量高、粘度适中、组成稳定且挤出均匀的聚丙烯腈原液，可以采用干喷湿纺或湿纺制备碳纤维用聚丙烯腈原丝。技术研发人员：宋文迪,吴嵩义,季春晓,乔蒙蒙,袁玉红,易闪闪受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/22