聚丙烯腈纤维及凝固成型方法、聚丙烯腈基碳纤维及制备方法技术

本发明专利技术是关于一种聚丙烯腈纤维及凝固成型方法、聚丙烯腈基碳纤维及制备方法。主要采用的技术方案为：一种聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，包括如下步骤：经喷丝装置喷出的纺丝细流先穿过缓冲凝固区后，再进入凝固成型区进行凝固成型，得到初生纤维；其中，当纺丝细流进入缓冲凝固区后，缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到55‑70％；且纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间不超过10秒。本发明专利技术主要用于使聚丙烯腈纤维及由其制成的聚丙烯腈基碳纤维具有均匀致密的内部结构、以及近似圆形或圆形的截面。

Polyacrylonitrile fibers and solidification methods, polyacrylonitrile-based carbon fibers and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
聚丙烯腈纤维及凝固成型方法、聚丙烯腈基碳纤维及制备方法
本专利技术涉及一种纤维
，特别是涉及一种聚丙烯腈纤维及凝固成型方法、聚丙烯腈基碳纤维及制备方法。
技术介绍
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性，是一种高性能纤维材料，已经广泛应用于航空航天、国防建设、体育休闲用品、医疗器械和建筑行业。碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维几种，其中，聚丙烯腈基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速，在碳纤维生产中占有绝对优势。聚丙烯腈基碳纤维是由聚丙烯腈纤维(即，原丝)经预氧化处理、碳化处理后制得。优质的聚丙烯腈纤维是制备高性能聚丙烯腈基碳纤维的基础。而优质的聚丙烯腈纤维应具有均匀致密的内部结构、圆形的纤维截面；其经过氧化和碳化处理后，会将这些微观结构“遗传”给碳纤维。致密化程度较高的聚丙烯腈纤维易制得的致密化程度较高且机械性能好的碳纤维。聚丙烯腈纤维的截面近似圆形，在预氧化和碳化过程中进行牵伸时受力均匀，没有应力集中区，易制得截面近似圆形的高性能碳纤维。圆形截面的碳纤维，有利于树脂均匀浸润和有效改善复合材料性能的各向同性。现有技术中，主要是通过湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维(即，原丝)，具体地，高粘度的纺丝液(即，聚合液：聚丙烯腈的二甲基亚砜溶液)依次经多级凝固成型、水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、松弛热定型工艺制备得到聚丙烯腈纤维。其中，凝固成型工艺对聚丙烯腈纤维的截面形貌、纤维致密性都有着非常显著的影响。现有技术的凝固成型工艺是：使喷丝装置喷出的纺丝细流依次经过多级凝固成型区(依次经过一级凝固成型区、二级凝固成型、……、N极凝固成型区)的凝固成型处理，得到初生纤维。其中，前一级凝固浴液的浓度(二甲基亚砜的浓度)大于后一级凝固浴液的浓度。但是，若凝固浴浓度较低时，凝固浴与纺丝液细流之间的浓差较大，双扩散较快，易产生孔隙，并形成肾形截面。当凝固浴浓度较高时，会使扩散和相分离趋于缓和，能显著地减小孔隙率、提升孔隙尺寸的均匀性，同时得到圆形的截面。但是，在实际纺丝过程中，凝固浴液的浓度不能长时间设定过高，否则由于纺丝液与凝固浴液之间的浓差太小，阻碍纤维整体的凝固成型，易导致纤维粘连、溶剂易滞留在纤维内部，形成空洞缺陷，破坏纤维结构的致密性。因此，现有的凝固成型工艺无法通过进一步提高凝固浴浓度成型出内部结构较为致密的纤维，也很难得到理想的纤维截面。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种聚丙烯腈纤维及凝固成型方法、聚丙烯腈基碳纤维及制备方法，主要目的在于能有效地提高聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的内部结构致密性。为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：一方面，本专利技术的实施例提供一种聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其中，包括如下步骤：经喷丝装置喷出的纺丝细流先穿过缓冲凝固区后，再进入凝固成型区进行凝固成型，得到初生纤维；其中，当所述纺丝细流进入所述缓冲凝固区后，所述缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到55-70％；且所述纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间不超过10秒。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，所述缓冲凝固区与所述凝固成型区中的一级凝固成型区相连通；优选的，所述缓冲凝固区包括套筒；其中，所述套筒的内部通道及内部通道中的凝固浴液形成缓冲凝固区；其中，所述纺丝细流穿过所述套筒的内部通道后进入所述一级凝固成型区中；优选的，所述套筒具有相对设置的第一端和第二端；其中，所述套筒的第一端套设在喷丝装置的喷丝头上，所述套筒的第二端与所述凝固成型区中的一级凝固成型区连通；优选的，所述套筒安置在所述凝固成型区的一级凝固成型区中，且所述套筒的第二端敞口设置；优选的，所述套筒的长度不超过400mm；优选的，所述套筒的长度为100-300mm；优选的，所述套筒的内径与所述喷丝装置的喷丝板的直径之差为1-2mm。优选的，当所述纺丝细流进入所述缓冲凝固区后，所述缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到60-70％；和/或所述纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间为2-6秒；所述缓冲凝固区中的凝固浴浴液包括溶剂、凝固剂及亲水剂；优选的，所述缓冲凝固区中凝固浴浴液的亲水剂浓度为：0-0.1mol/L；优选的，所述溶剂为二甲基亚砜；优选的，所述凝固剂为水；优选的，所述亲水剂为氨水；优选的，所述缓冲凝固区中的凝固浴浴液的温度为45-65℃。优选的，所述凝固成型区的数量为1-4级；优选的，所述凝固成型区的数量为4级，其包括：一级凝固成型区、二级凝固成型区、三级凝固成型区、四级凝固成型区；其中，所述纺丝细流穿过所述缓冲凝固区形成的初级凝固丝条依次经过一级凝固成型区、二级凝固成型区、三级凝固成型区、四级凝固成型区的凝固成型处理，得到初生纤维；优选的，所述一级凝固成型区中的一级凝固浴液的温度为45-65℃；优选的，所述一级凝固浴液包括溶剂、凝固剂及亲水剂；进一步优选的，所述一级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水，亲水剂为氨水；进一步优选的，所述一级凝固浴液中溶剂的质量分数为53-65％；所述一级凝固浴液中的亲水剂的物质量浓度0-0.1mol/L；优选的，所述二级凝固成型区中的二级凝固浴液的温度为50-70℃；优选的，所述二级凝固浴液包括溶剂和凝固剂；进一步优选的，所述二级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水；进一步优选的，所述二级凝固浴液中溶剂的质量分数为25-45％；优选的，所述三级凝固成型区中的三级凝固浴液的温度为55-85℃；优选的，所述三级凝固浴液包括溶剂和凝固剂；进一步优选的，所述三级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水；进一步优选的，所述三级凝固浴液中溶剂的质量分数为10-30％；优选的，所述四级凝固成型区中的四级凝固浴液的温度为65-95℃；优选的，所述四级凝固浴液包括溶剂和凝固剂；进一步优选的，所述四级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水；进一步优选的，所述四级凝固浴液中溶剂的质量分数为0-15％。优选的，所述初级凝固丝条经过所述一级凝固成型区的凝固成型处理，得到一级凝固丝条；其中，所述初级凝固丝条在所述一级凝固成型区中的凝固牵伸率为0.4-1.0倍、停留时间为0.2-3min；所述一级凝固丝条经过所述二级凝固成型区的凝固成型处理，得到二级凝固丝条；优选的，所述一级凝固丝条在所述二级凝固成型区中的凝固牵伸率为1-2倍、停留时间为0.2-2min；所述二级凝固丝条经过所述三级凝固成型区的凝固成型处理，得到三级凝固丝条；优选的，所述二级凝固丝条在所述三级凝固成型区中的凝固牵伸率为1-2倍、停留时间为0.3-1.5min；所述三级凝固丝条经过所述四级凝固成型区的凝固成型处理，得到初生纤维；优选的，所述三级凝固丝条在所述四级凝固成型区中的凝固牵伸率为1-2倍、停留时间为0.3-1min。另一方面，本专利技术实施例还提供一种初生纤维；其中，所述初生纤维的孔隙率为30-50％；优选的，所述初生纤维的孔隙率为30-37％。优选的，所述初生纤维是由纺丝液经过上述任一项所述的聚丙烯腈纤维的凝固成型方法成型而成。另一方面，本专利技术实施例还提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，其中，所述聚丙烯腈纤维的制备方法包括：采用上述的聚丙烯腈纤维的凝固成型方法对纺丝细流进行凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其特征在于，包括如下步骤：经喷丝装置喷出的纺丝细流先穿过缓冲凝固区后，再进入凝固成型区进行凝固成型处理，得到初生纤维；其中，当所述纺丝细流进入所述缓冲凝固区后，所述缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到55‑70％；且所述纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间不超过10秒。

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其特征在于，包括如下步骤：经喷丝装置喷出的纺丝细流先穿过缓冲凝固区后，再进入凝固成型区进行凝固成型处理，得到初生纤维；其中，当所述纺丝细流进入所述缓冲凝固区后，所述缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到55-70％；且所述纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间不超过10秒。2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其特征在于，所述缓冲凝固区与所述凝固成型区中的一级凝固成型区相连通；优选的，所述缓冲凝固区包括套筒；其中，所述套筒的内部通道及内部通道中的凝固浴液形成缓冲凝固区；其中，所述纺丝细流穿过所述套筒的内部通道后进入所述一级凝固成型区中；优选的，所述套筒具有相对设置的第一端和第二端；其中，所述套筒的第一端套设在喷丝装置的喷丝头上，所述套筒的第二端与所述凝固成型区中的一级凝固成型区连通；优选的，所述套筒安置在所述凝固成型区的一级凝固成型区中，且所述套筒的第二端敞口设置；优选的，所述套筒的长度不超过400mm；优选的，所述套筒的长度为100-300mm；优选的，所述套筒的内径与所述喷丝装置的喷丝板的直径之差为1-2mm。3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其特征在于，当所述纺丝细流进入所述缓冲凝固区后，所述缓冲凝固区的凝固浴液中的溶剂浓度达到60-70％；和/或所述纺丝细流在所述缓冲凝固区的停留时间为2-6秒；所述缓冲凝固区中的凝固浴浴液包括溶剂、凝固剂及亲水剂；优选的，所述缓冲凝固区中凝固浴浴液的亲水剂浓度为：0-0.1mol/L；优选的，所述溶剂为二甲基亚砜；优选的，所述凝固剂为水；优选的，所述亲水剂为氨水；优选的，所述缓冲凝固区中的凝固浴浴液的温度为45-65℃。4.根据权利要求1-3任一项所述的聚丙烯腈纤维的凝固成型方法，其特征在于，所述凝固成型区的数量为1-4级；优选的，所述凝固成型区的数量为4级，其包括：一级凝固成型区、二级凝固成型区、三级凝固成型区、四级凝固成型区；其中，所述纺丝细流穿过所述缓冲凝固区形成的初级凝固丝条依次经过一级凝固成型区、二级凝固成型区、三级凝固成型区、四级凝固成型区的凝固成型处理，得到初生纤维；优选的，所述一级凝固成型区中的一级凝固浴液的温度为45-65℃；优选的，所述一级凝固浴液包括溶剂、凝固剂及亲水剂；进一步优选的，所述一级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水，亲水剂为氨水；进一步优选的，所述一级凝固浴液中溶剂的质量分数为53-65％；所述一级凝固浴液中的亲水剂的物质量浓度0-0.1mol/L；优选的，所述二级凝固成型区中的二级凝固浴液的温度为50-70℃；优选的，所述二级凝固浴液包括溶剂和凝固剂；进一步优选的，所述二级凝固浴液中的溶剂为二甲基亚砜，凝固剂为水；进一步优选的，所述二级凝固浴液中溶剂的质量分数为25-45％；优选的，所述三级凝固成型区中的三级凝固浴液的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕春祥，常春报，隋敏，李永红，刘纳新，郝俊杰，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，山西钢科碳材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14