專利名稱：一種丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備方法及其聚合反應設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備技術。
背景技術：
由于碳纖維具有高強、高模、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導電與導熱等優(yōu)異 性能，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，在體育娛樂、休閑用品、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建 筑方面也有廣泛應用，是一種屬于軍民兩用的高科技纖維。其中聚丙烯腈基碳纖維由于生 產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品力學性能良好，因而發(fā)展較快，成為最主要和占絕對地位的品種。由于聚 丙烯腈基碳纖維的性能在很大程度上依賴于碳纖維原絲的性能，而紡絲原液的質量是制備 優(yōu)質原絲的前提和基礎。目前廣泛使用的釜式反應器在制備較高粘度物料時，存在物料傳 質、傳熱不均勻，容易產(chǎn)生溶膠凝膠等缺點，并最終導致物料性質和結構上的不均一，影響 聚合產(chǎn)物質量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備方法，以解決現(xiàn)有制備方
法存在物料性質和結構不均一的問題。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案 本發(fā)明的丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備方法，在聚合反應設備中進行溶液聚合反 應，所述聚合反應設備包括反應釜和反應擠出機，反應釜連接反應擠出機，反應釜和反應擠 出機上分別設有控溫裝置，所述控溫裝置優(yōu)選為夾套。
在上述制備方法中，具體包括如下步驟 (1)將第一單體、偶氮類引發(fā)劑、部分第二單體、部分第三單體、二甲基亞砜混合均 勻倒入反應釜；第一單體為丙烯腈，第二單體為衣康酸，第三單體為丙烯酸酯或丙烯酰胺或 其混合物； (2)反應釜內先通惰性氣體排除空氣后，反應釜上的控溫裝置控制反應釜溫度為 40 8(TC，使物料進行預聚合反應； (3)反應物達到粘度為100 150Pa S時，將反應物從反應釜底部輸送入反應擠 出機繼續(xù)聚合，又從反應釜頂部回流至釜底以形成封閉循環(huán)回路；反應擠出機上的控溫裝 置控制溫度為40 80°C ; (4)在反應擠出機中部設置進料口，用計量泵持續(xù)加入剩余第二單體和第三單體。 進料口可以是單個或多個，反應擠出機的螺桿結構能在進料口部位產(chǎn)生負壓區(qū)，利于單體 的注入及單體在瞬間均勻分散到物料中。用計量泵持續(xù)加入剩余第二單體和第三單體，以 保證產(chǎn)物分子結構的均勻性。 在上述制備方法中，所述組分的優(yōu)選重量份數(shù)為
二甲基亞砜 300 550 第一單體 90 100
第二單體 1 10 第三單體 1 10 偶氮類引發(fā)劑 0.3 1.5。 在上述制備方法中，所述偶氮類引發(fā)劑優(yōu)選為中活性的偶氮二異丁腈或高活性的
偶氮二異庚腈。 在上述制備方法中，所述部分第二單體和部分第三單體的加入量分別占第二、三 單體總重量的20 80%。 在上述制備方法中，所述步驟(2)或步驟(3)所述聚合反應的條件優(yōu)選為聚合溫 度為40 80。C，聚合時間為5 20小時。 在上述制備方法中，由于聚合反應是放熱反應，聚合過程中須往反應釜夾套和反 應擠出機夾套分別通入低溫水以維持聚合溫度穩(wěn)定，溫度維持在40 80°C ;當聚合達到預 定時間后，降低管道溫度終止反應即可排料。 在上述制備方法中，所述反應擠出機優(yōu)選為雙螺桿反應擠出機。 —種用于制備上述丙烯腈基碳纖維紡絲液的聚合反應設備，包括反應釜和反應擠
出機，反應釜的底部連接擠出機進料口 ，擠出機出料口連接反應釜頂部，反應釜和反應擠出
機串聯(lián)形成封閉循環(huán)回路。所述反應擠出機中部設有進料口。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果 1.本發(fā)明在反應釜上連接反應擠出機，反應擠出機采用的螺桿擠出結構除具有 傳統(tǒng)擠出機的混合物料的功能外，還可以在擠出過程中引入反應介質和化學反應，具有合 成反應器的功能，其主要特點是反應擠出機更能處理高粘度的物料，可連續(xù)快速地產(chǎn)生新 的、很薄的物料表面層，從而使物料的表面/體積比增加，反應介質在物料中分布均勻，反 應程度提高，同時具備可靠的傳質、傳熱和相應的控制系統(tǒng)，不會產(chǎn)生物料的局部過熱，得 到的反應產(chǎn)物的化學結構比較均一 ；由于擠出機的混合效果好，可在機筒上設置兩個或更 多的注入反應性介質或相關助劑的進料口，根據(jù)不同的反應條件和工藝要求選擇合適的進 料口，并帶有精確控制加料量的計量系統(tǒng)；反應擠出機的螺桿結構能在進料口產(chǎn)生負壓區(qū)， 利于單體的注入及單體在瞬間分散到物料中，同時在反應區(qū)兩端形成熔體料封以防止單體 溢出；螺旋及相應組件的組合方式能對物料輸送速度進行調控，若單體在擠出機中的反應 時間較長，可增大螺桿的長/徑比，或者多臺擠出機串聯(lián)使用。 2.現(xiàn)有采用溶液法丙烯腈聚合需要較長的反應時間才能達到較高轉化率，而物料 在擠出機中停留時間較短，由于反應擠出機具備可靠的傳質、傳熱和相應的控制系統(tǒng)，熱量 的傳遞得到改善，采用擠出機與聚合釜聯(lián)用，既實現(xiàn)了物料的均勻混合和有效控溫，又能保 證足夠的反應時間。
具體實施例方式
實施例1 :稱取20Kg二甲基亞砜，6. 336Kg丙烯腈，132g丙烯酰胺和66g衣康酸，依 次倒入50L的反應釜中，攪拌溶解完全后，通氬氣20min鼓泡排除溶液及釜中空氣，同時反 應釜夾套通5(TC熱水。待物料溫度為5(TC時加入36. 3g偶氮二異庚腈，反應開始，30min后 打開雙螺桿反應擠出機循環(huán)物料，擠出機產(chǎn)量為50Kg/h，保持擠出機夾套溫度為50°C。同 時在擠出機加料罐中加入3.4kg二甲基亞砜和66g衣康酸，用計量泵在3h內加料完畢。聚
4合15h后放料。其轉化率為92. 6%，重均分子量為15. 8萬，分子量分布系數(shù)為2. 39。
實施例2 :稱取20Kg 二甲基亞砜，6. 336kg丙烯腈，132g丙烯酰胺和66g衣康酸， 依次倒入50L的反應釜中，攪拌溶解完全后，通氬氣20min鼓泡排除溶液及釜中空氣，同時 反應釜夾套通45t:熱水。待物料溫度為5(TC時加入46. 2g偶氮二異庚腈，反應開始，30min 后打開兩臺串聯(lián)的雙螺桿反應擠出機循環(huán)物料，擠出機產(chǎn)量均為50Kg/h，保持擠出機夾套 溫度為45°C 。同時在擠出機加料罐中加入3. 4kg 二甲基亞砜和66g衣康酸，用計量泵在3h 內加料完畢。聚合20h后放料。其轉化率為95. 1%，重均分子量為13.5萬，分子量分布系 數(shù)為2. 55。 實施例3 :稱取17. 5Kg二甲基亞砜，4.85kg丙烯腈，75g丙烯酸甲酯和30g衣康酸， 依次倒入50L的反應釜中，攪拌溶解完全后，通氬氣20min鼓泡排除溶液及釜中空氣，同時 反應釜夾套通6(TC熱水。待物料溫度為6(TC時加入30. 0g偶氮二異丁腈，反應開始，30min 后打開兩臺串聯(lián)的雙螺桿反應擠出機循環(huán)物料，擠出機產(chǎn)量均為50Kg/h，保持擠出機夾套 溫度為60°C 。同時在擠出機加料罐中加入2. 5kg 二甲基亞砜和35g衣康酸，用計量泵在4h 內加料完畢。聚合12h后放料。其轉化率為91.6%，重均分子量為13.2萬，分子量分布系 數(shù)為2.81。 實施例4 :稱取20Kg二甲基亞砜，6. 336kg丙烯腈，99g丙烯酸甲酯和45g衣康酸， 依次倒入50L的反應釜中，攪拌溶解完全后，通氬氣20min鼓泡排除溶液及釜中空氣，同時 反應釜夾套通45t:熱水。待物料溫度為5(TC時加入36. 3g偶氮二異庚腈，反應開始，30min 后打開兩臺串聯(lián)的雙螺桿反應擠出機循環(huán)物料，擠出機產(chǎn)量均為50Kg/h，保持擠出機夾套 溫度為45°C 。同時在擠出機加料罐中加入3. 4kg 二甲基亞砜和54g衣康酸，用計量泵在6h 內加料完畢。聚合40h后放料。其轉化率為97.8%，重均分子量為16.8萬，分子量分布系 數(shù)為2. 26。 實施例5 :稱取17. 5Kg 二甲基亞砜，4. 9kg丙烯腈，依次倒入50L的反應釜中，攪拌 溶解完全后，通氬氣20min鼓泡排除溶液及釜中空氣，同時反應釜夾套通5(TC熱水。待物料 溫度為50°C時加入25. Og偶氮二異庚腈，反應開始，30min后打開兩臺串聯(lián)的雙螺桿反應擠 出機循環(huán)物料，擠出機產(chǎn)量均為50Kg/h，保持擠出機夾套溫度為5(TC。同時在擠出機加料 罐中加入2.5kg二甲基亞砜和100g衣康酸，用計量泵在4h內加料完畢。聚合12h后放料。 其轉化率為96. 6%，重均分子量為14. 7萬，分子量分布系數(shù)為2. 78。
權利要求
一種丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備方法，在聚合反應設備中進行溶液聚合反應，其特征在于所述聚合反應設備包括反應釜和反應擠出機，反應釜連接反應擠出機，反應釜和反應擠出機上分別設有控溫裝置。
2. 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1) 將第一單體、偶氮類引發(fā)劑、部分第二單體、部分第三單體、二甲基亞砜混合均勻倒 入反應釜；第一單體為丙烯腈，第二單體為衣康酸，第三單體為丙烯酸酯或丙烯酰胺或其混 合物；(2) 反應釜內先通惰性氣體排除空氣后，反應釜上的控溫裝置控制反應釜溫度為40 8(TC，使物料進行預聚合反應；(3) 反應物達到粘度為100 150Pa S時，將反應物從反應釜底部輸送入反應擠出機 繼續(xù)聚合，又從反應釜頂部回流至釜底以形成封閉循環(huán)回路；反應擠出機上的控溫裝置控 制溫度為40 80°C ;(4) 在反應擠出機中部設置進料口，用計量泵持續(xù)加入剩余第二單體和第三單體。
3. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述組分的重量份數(shù)為二甲基亞砜 300 550第一單體 90 -- 100第二單體 1 1第三單體 1 10偶氮類引發(fā)劑0. 3
4. 如權利要求2或3所述的制備方法，其特征在于所述偶氮類引發(fā)劑為中活性的偶氮 二異丁腈或高活性的偶氮二異庚腈。
5. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述部分第二單體和部分第三單體的加 入量分別占第二、三單體總重量的20 80%。
6. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述步驟(2)或步驟(3)所述聚合反應 的條件為聚合溫度為40 8(TC，聚合時間為5 20小時。
7. 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述控溫裝置為夾套。
8. 如權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述反應擠出機為雙螺桿反應擠出機。
9. 一種用于制備權利要求1所述丙烯腈基碳纖維紡絲液的聚合反應設備，其特征在于 包括反應釜和反應擠出機，反應釜的底部連接擠出機進料口 ，擠出機出料口連接反應釜頂 部，反應釜和反應擠出機串聯(lián)形成封閉循環(huán)回路。
10. 如權利要求9所述的聚合反應設備，其特征在于所述反應擠出機中部設有進料口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種丙烯腈基碳纖維紡絲液的制備方法及其聚合反應設備。本發(fā)明的制備方法在聚合反應設備中進行溶液聚合反應，所述聚合反應設備包括反應釜和反應擠出機，反應釜連接反應擠出機，反應釜和反應擠出機上分別設有控溫裝置。本發(fā)明在反應釜上連接反應擠出機，反應擠出機采用的螺桿擠出結構除具有傳統(tǒng)擠出機的混合物料的功能外，還可以在擠出過程中引入反應介質和化學反應，具有合成反應器的功能，反應擠出機更能處理高粘度的物料，可連續(xù)快速地產(chǎn)生新的、很薄的物料表面層，從而使物料的表面/體積比增加，反應介質在物料中分布均勻，反應程度提高。
文檔編號C08F2/01GK101768239SQ20081022071
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權日2008年12月31日
發(fā)明者代驚奇, 宋威, 辛偉, 馬雷, 黃有平, 黃險波 申請人:金發(fā)科技股份有限公司;上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司