專利名稱：一種防靜電碳基纖維及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有寬范圍電阻率和低介電損耗特征的碳基纖維，其制備方法及在防靜電領域中的應用，屬于新材料領域。
背景技術：
靜電是由物體間的相互摩擦或感應而產生的，如氣體的輸送和排出，液體的攪拌和噴涂，固體的粉碎和研磨，粉塵的混合和篩分等，都會產生靜電，靜電防護稍有疏忽，就可能導致火災、爆炸和人身觸電，有時則干擾正常生產和影響產品質量，因此必須對靜電采取切實可行的防護措施。工業生產中往往采用在產品或工件表面噴涂防靜電涂料達到消除靜電危害的目的。現有的防靜電涂料中，起防靜電作用的主要添加劑為金屬粉或石墨粉，二者雖具 有良好的導電性，但金屬粉易氧化，石墨粉附著力差，而且在涂層中都難于形成連續的導電網絡，不能達到理想的防靜電效果；特別是金屬粉和石墨粉等對雷達波易反射，介電損耗大，不適于作為防靜電材料用于航空、航天和軍工等重要領域。此外最終形成的防靜電涂層還應具有良好的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性等性能，現用的防靜電涂料很難完全滿足這些要求。公開號為CN1632002A的中國專利公開了一種防靜電涂料的制備方法，主要以膨脹石墨材料與有機成膜物質和溶劑等混合制得，其導電性和抗沖擊性較差；公開號為CN1422919A的中國專利公開了一種納米聚氨酯防靜電涂料及其制備方法，主要以云母作為導電劑與納米聚氨酯混合制得，耐磨性提高，但導電效果較差；公開號為CN1085927A的中國專利公開了一種防靜電涂料的制備方法，主要是鋁粉與聚氨酯等混合制得，其導電性和耐磨性等性能也不理想。碳纖維具有良好的導電性、耐蝕性和耐磨性等性能，是較理想的防靜電涂料的添加劑，公開號為CN1664034A的中國專利公開了一種碳纖維導靜電涂料及其制備方法，將石墨化的短切碳纖維與環氧樹脂混合制得，導電性和耐蝕性等較好，但由于石墨纖維或高溫碳化纖維是雷達波的強反射體，該專利公開的碳纖維導靜電涂料同樣不能滿足飛機及軍工等領域對關鍵部件靜電防護的特殊要求。公開號為CN101220535A的中國專利公開了一種防靜電用碳纖維及其制備方法，是聚丙烯腈纖維(由丙烯腈和衣康酸、丙烯酸、衣康酸胺、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸等制成的)經預氧化、中溫碳化、高溫碳化制備而成，其電阻率為1Χ108 1.5Χ10_3Ω · cm，介電損耗高，不能滿足飛機、導彈、艦艇、油罐、電子行業等特殊領域對靜電防護的高要求。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供了一種具有寬電阻率范圍和低介電損耗特征的防靜電碳基纖維，及其制備方法，利用本發明的碳基纖維作為防靜電添加劑形成的防靜電網絡化涂層不僅具有良好的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性，而且具有良好的防靜電性能，從而滿足飛機、導彈、艦艇、油罐、電子行業等特殊領域對靜電防護的高要求。本發明是通過以下技術方案實現的
一種防靜電碳基纖維，是以前軀體纖維為原料，經以下方法制備得到的(I)預氧化將前軀體纖維保持張緊狀態，在空氣介質中于190 280°C進行熱處理，牽伸率為O 10%,加熱時間為45 65min ；(2)碳化上述預氧化后，在惰性氣體保護下或真空狀態中于300 1200°C進行熱處理，牽伸率為O 5%，加熱時間為5 20min，即得防靜電碳基纖維。所述前軀體纖維的成分組成為丙烯腈含量大于等于90wt%，衣康酸胺O. I 10wt%，二茂鐵O. I 2wt%，余量為衣康酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中的一種。所述前軀體纖維是通過以下方法制備得到的將丙烯腈與其他單體進行共聚合，獲得紡絲原液，通過濕法紡絲或干噴濕紡制得前軀體纖維。所述防靜電碳基纖維的制備方法，同上。
本發明的防靜電碳基纖維，碳含量大于68%,纖維直徑I IOum,電阻率為I X IO3 I. 5 X 10_2 Ω ·αιι，介電損耗小于O. 05，具有寬電阻率范圍和低介電損耗特征，作為防靜電添加劑制備防靜電涂層，可以滿足不同防靜電要求的特殊領域的需要，且獲得的防靜電涂層同時具有良好的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性。具體應用方式為將本發明的防靜電碳基纖維短切為3 6mm，按體積比防靜電碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮= 0.005: (O. 8 I. 2): (3 5)的比例進行配料并常規方法制備得到防靜電涂層。優選的比例為防靜電碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4。本發明通過特定配比關系的丙烯腈、衣康酸胺和二茂鐵等制備了前軀體纖維，并通過特定的預氧化和碳化步驟、工藝參數，制備得到了具有寬電阻率范圍和低介電損耗特征的防靜電碳基纖維，其作為防靜電添加劑制備防靜電涂層，可以滿足不同防靜電要求的特殊領域的需要，且獲得的防靜電涂層同時具有良好的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性，從而滿足飛機、導彈、艦艇、油罐、電子行業等特殊領域對靜電防護的高要求。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的說明。實施例I制備防靜電碳基纖維步驟如下(I)按丙烯腈97wt%、衣康酸胺2wt%、二茂鐵O. lwt%和衣康酸O. 9wt%的配比關系稱取各單體，并進行共聚合，濕法紡絲制得前軀體纖維。(2)前軀體纖維在270°C下進行預氧化，牽伸率5%，加熱時間45min，然后在真空條件、700°C下碳化，牽伸率5%，加熱時間lOmin，即得防靜電碳基纖維，其直徑為7um，電阻率為I. 5 5X10 2Ω · cm,碳含量大于90%。將該碳基纖維短切為3 6mm，按碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4的比例(體積比)進行配料并獲得防靜電涂層，測得絕緣電阻值為I. I 9. 5ΜΩ，介電損耗O. 046，小于O. 05，能滿足飛機等對靜電防護的特殊要求。實施例2制備防靜電碳基纖維步驟如下(I)按丙烯腈92wt%、衣康酸胺O. lwt%、二茂鐵2wt%和丙烯酸甲酯5. 9wt%的配比關系稱取各單體，并進行共聚合，濕法紡絲制得前軀體纖維。(2)前軀體纖維在190°C下進行預氧化，牽伸率8%，加熱時間65min，然后在惰性氣體保護、1200°C下碳化，牽伸率2%，加熱時間20min，即得防靜電碳基纖維，其直徑7um，電阻率為2. 5 6. O X KT1 Ω · cm,碳含量大于74%。將該碳基纖維短切為3 6mm，按碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4的比例(體積比)進行配料并獲得防靜電涂層，測得絕緣電阻值為O. I 5ΜΩ，介電損耗O. 048，小于O. 05，能滿足飛機等對靜電防護的特殊要求。實施例3制備防靜電碳基纖維步驟如下(I)按丙烯腈98wt%、衣康酸胺lwt%、二茂鐵O. 2wt%和丙烯酸O. 8wt%的配比關系稱取各單體，并進行共聚合，濕法紡絲制得前軀體纖維。(2)前軀體纖維在250°C下進行預氧化，牽伸率7%，加熱時間50min，然后在真空條件、900°C下進行碳化，牽伸率3%，加熱時間15min，即得防靜電碳基纖維，其直徑lOum，電阻率為5 9X10 2Ω · cm,碳含量大于82%。將該碳基纖維短切為2 4mm，按碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4的比例(體積比)進行配料并獲得防靜電涂層，測得絕緣電阻值為I 15ΜΩ，介電損耗O. 035，小于O. 05，能滿足飛機等對靜電防護的特殊要求。實施例4制備防靜電碳基纖維步驟如下(I)按丙烯腈90wt%、衣康酸胺3. 8wt%、二茂鐵O. 2wt%和丙烯酸甲酯6%的配比關系稱取各單體，并進行共聚合，干濕法紡絲制得前軀體纖維。(2)前軀體纖維在230°C下進行預氧化，牽伸率10%，加熱時間55min，然后在惰性氣體保護、1000°c下碳化,牽伸率3%,加熱時間15min,即得防靜電碳基纖維,其直徑6um,電阻率為I 10 X IO2 Ω · cm,碳含量大于68%。將該碳基纖維短切為3 6mm，按碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4的比例(體積比)進行配料并獲得防靜電涂層，測得絕緣電阻值為15 60ΜΩ，介電損耗O. 031，小于O. 05，能滿足飛機等對靜電防護的特殊要求。實施例5制備防靜電碳基纖維步驟如下(I)按丙烯腈96wt%、衣康酸4wt%的配比關系稱取各單體，并進行共聚合，濕法紡絲制得前軀體纖維。(2)前軀體纖維在240°C下進行預氧化，牽伸率10%，加熱時間55min，然后在惰性氣體保護、1000°c下進行高溫碳化，即得防靜電碳基纖維，其直徑7um，電阻率為I. 5 5 X 10 3 Ω · cm,碳含量大于94%。將該碳基纖維短切為3 6mm，按碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4的比例(體積比)進行配料并獲得防靜電涂層，測得絕緣電阻值為O. OOl O. 1ΜΩ，介電損耗O. 163，大于O. 15，不能滿足飛機等對靜電防護的特殊要求。
權利要求
1.一種防靜電碳基纖維，其特征在于是以前軀體纖維為原料，經以下方法制備得到的 (1)預氧化將前軀體纖維保持張緊狀態，在空氣介質中于190 280°C進行熱處理，牽伸率為O 10%，加熱時間為45 65min ； (2)碳化上述預氧化后，在惰性氣體保護下或真空狀態中于300 120(TC進行熱處理，牽伸率為O 5%，加熱時間為5 20min，即得防靜電碳基纖維； 所述前軀體纖維的成分組成為丙烯腈含量大于等于90wt%,衣康酸胺O. I 10wt%,二茂鐵O. I 2wt%，余量為衣康酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中的一種。
2.根據權利要求I所述的一種防靜電碳基纖維，其特征在于所述前軀體纖維是通過 以下方法制備得到的將丙烯腈與其他單體進行共聚合，獲得紡絲原液，通過濕法紡絲或干噴濕紡制得前軀體纖維。
3.根據權利要求I所述的一種防靜電碳基纖維，其特征在于所述前軀體纖維的成分組成為以下組合之一 ①丙烯腈97wt%、衣康酸胺2wt%、二茂鐵O.lwt%和衣康酸O. 9wt% ； ②丙烯腈92wt%、衣康酸胺O.lwt%、二茂鐵2wt%和丙烯酸甲酯5. 9wt% ； ③丙烯腈98wt%、衣康酸胺lwt%、二茂鐵O.2wt%和丙烯酸O. 8wt% ； ④丙烯腈90wt%、衣康酸胺3.8wt%、二茂鐵O. 2wt%和丙烯酸甲酯6%。
4.權利要求I 3中任一項所述的一種防靜電碳基纖維的制備方法，其特征在于步驟如下 (1)預氧化將前軀體纖維保持張緊狀態，在空氣介質中于190 280°C進行熱處理，牽伸率為O 10%，加熱時間為45 65min ； (2)碳化上述預氧化后，在惰性氣體保護下或真空狀態中于300 120(TC進行熱處理，牽伸率為O 5%，加熱時間為5 20min，即得防靜電碳基纖維。
5.權利要求I 3中任一項所述的一種防靜電碳基纖維在制備防靜電涂層中的應用。
6.根據權利要求5所述的應用，其特征在于應用方式為將防靜電碳基纖維短切為3 6mm,按體積比防靜電碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005: (O. 8 I. 2):(3 5)的比例進行配料并制備得到防靜電涂層。
7.根據權利要求6所述的應用，其特征在于所述防靜電碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮=O. 005:1:4ο
8.一種防靜電涂層，其特征在于由以下方法制備得到將權利要求I 3中任一項所述的防靜電碳基纖維短切為3 6mm，按體積比防靜電碳基纖維聚氨酯涂料溶劑環己酮= 0.005: (O. 8 I. 2): (3 5)的比例進行配料并制備得到防靜電涂層。
9.根據權利要求8所述的防靜電涂層，其特征在于所述防靜電碳基纖維聚氨酯涂料:溶劑環己酮=O. 005:1:4。
全文摘要
本發明公開了一種防靜電碳基纖維，是以前軀體纖維為原料，經預氧化、碳化制備得到的；所述前軀體纖維的成分組成為丙烯腈含量大于等于90wt%，衣康酸胺0.1～10wt%，二茂鐵0.1～2wt%，余量為衣康酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸中的一種。本發明的防靜電碳基纖維，電阻率為1×103～1.5×10-2Ω·cm，介電損耗小于0.05，具有寬電阻率范圍和低介電損耗特征，作為防靜電添加劑制備防靜電涂層，可以滿足不同防靜電要求的特殊領域的需要，且獲得的防靜電涂層同時具有良好的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性，從而滿足飛機、導彈、艦艇、油罐、電子行業等特殊領域對靜電防護的高要求。
文檔編號C09D175/04GK102839448SQ201210370218
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者王成國, 于美杰, 朱波, 張姍, 馬婕 申請人:山東大學