一种基于快速纺丝和高纤度原丝的中模碳纤维制备方法,本发明专利技术涉及高性能碳纤维的制备方法领域；它的制备方法如下：将PAN原丝放入预氧化炉中进行预氧化反应，得到密度为1.33～1.36g/cm³的预氧化纤维体；将预氧化纤维体放入低温碳化炉中进行低温碳化，得到低温碳化纤维体；将低温碳化纤维体放入高温碳化炉中进行高温碳化处理，碳化后最终得拉伸强度在4500～5100MPa，拉伸模量在270～310GPa，单丝直径为6-10μm的碳纤维。实现碳纤维拉伸模量和强度的同步提升，解决了中模碳纤维拉伸强度下降和成本居高的关键问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高性能碳纤维的制备方法领域，具体涉及。
技术介绍
模量是碳纤维最为重要的性能指标之一，是进行复合材料设计首要考虑参数，作为增强材料，复合材料的模量主要是由碳纤维提供，直接决定了复合材料结构件的尺寸稳定性和抗变形能力，影响碳纤维拉伸模量的因素较多，其中原丝取向度和碳化温度对模量的影响最大，一方面高取向度和规整度的原丝易于获得高模量的碳纤维，另一方面碳纤维温度越高碳纤维拉伸模量越高。但碳纤维拉伸强度随碳化温度升高先升高后降低，有拐点存在，因此同时获得高强度高模量具有较高的技术难度，原丝的细旦化，是纤维在凝固成型和预氧化过程中获得更为均匀的组织结构，进而获得高强度的碳纤维产品，但细旦化会大幅降低碳纤维的生产效率，生产成本升高，不利于在对价格敏感的民用市场推广，当前市场中模碳纤维单丝直径普遍为5 μπι以下，12Κ产品的线密度在500g/km以下，生产成本高，这也是国内中模碳纤维有需求但用量少的主要原因。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的基于快速纺丝和高纤度原丝的中模碳纤维制备方法，实现碳纤维拉伸模量和强度的同步提升，解决了中模碳纤维拉伸强度下降和成本居高的关键问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:它的制备方法如下: 步骤1:将高分子量、高固含量和高粘度的聚合原液，经脱单、脱泡和氨化处理后，高压过滤除去微凝胶和杂质； 步骤2:将步骤1得到的原液由喷丝头喷出后，给予其2-5倍的正牵伸，细流在单轴向牵伸力的作用下实现分子链取向和细旦化，然后在低温、低浓的凝固浴中进行双扩散和相分离，形成初生纤维； 步骤3:将步骤2得到的初生纤维进行水洗、水牵、致密化后，然后实施蒸汽牵伸，得到碳纤维原丝； 步骤4:将步骤3得到的规格为12K/24K、纤度为0.9?2.0dtex的PAN原丝放入预氧化炉中进行预氧化反应，预氧化温度在230?270°C，牵伸率为-15?0%，预氧化时间为40?60min，得到密度为1.33?1.36g/cm3的预氧化纤维体； 步骤5:将步骤4中密度为1.33?1.36g/cm3的预氧化纤维体放入低温碳化炉中进行低温碳化，低温碳化的温度为400?800°C，牵伸率为0?5%，低温碳化时间为40?120s，低温碳化纤维体，并丝等级为1级； 步骤6:将步骤5中的低温碳化纤维体放入高温碳化炉中进行高温碳化处理，高温碳化的温度为1500?1800°C，牵伸率为-2?-6%，高温碳化时间为30?80s，碳化后最终得拉伸强度在4500?5100MPa，拉伸模量在270?310GPa，单丝直径为6_10 μπι的碳纤维。本专利技术有益效果为: 1、干喷湿纺制备的原丝表面光滑、缺陷少，内部组织结构致密、孔洞少，相应碳纤维的表面缺陷少，更容易获得高强度的碳纤维，碳纤维拉伸强度在较高的碳化温度下损失少，适合于制备高强度、中模量碳纤维。本的原丝采用干喷湿纺技术制备，高分子量、高固含量和高粘度的聚合原液，经脱单、脱泡和氨化处理后，高压过滤除去微凝胶和杂质，采用了较高的原丝纤度，纤度值控制在0.9-2.0dtex，可制备12K/24K等不同种规格； 2、采用大风量、大风速、垂直吹风的方式，达到预氧化的均匀性，同时实现了高的预氧化起始温度和快速预氧化。预氧化热风速度在2m/s以上，起始预氧化温度230°C以上，预氧化时间控制在40~60min，解决了干喷湿纺原丝表面光滑、无沟槽，截面规整呈圆形，比表面积小，丝束堆积密度高，在预氧化过程中氧不易向丝束内部扩散，同时预氧化热量不易散出，丝束内部氧化程度低且蓄热多，容易在低温碳化段产生结构缺陷，造成毛丝甚至断丝，严重影响碳纤维性能的问题； 3、预氧化过程采用一定的牵伸，抑制化学收缩和物理收缩，干喷湿纺原丝由于牵伸倍数大，纤维内应力高，在预氧化过程中的收缩大，为防止丝束张力过大引起分子链断裂，一般采用负牵伸，根据预氧化反应阶段的不同，采用不同的负牵伸量，通过丝束张力监测调整丝束牵伸量，本预氧化牵伸率为-15~0%，12K碳纤维丝束张力为10-20N ； 4、本的高温碳化温度在1500°C-1800°C，高温碳化时间在30-80S，高温碳化牵伸率在-2~-6%之间，通过控制碳纤维表面缺陷和晶体尺寸，实现碳纤维拉伸强度随高温碳化温度拐点的后移，即1600-1800°C内碳纤维拉伸强度无明显损失，高温碳化温度是实现碳纤维中模量的关键因素，本原丝的纤度较高，与细旦化的高强中模碳纤维原丝相比，分子量低、分子链规整度小、取向度低； 5、在高强型干喷湿纺碳纤维基础上通过二次高温碳化制备中模碳纤维，该方法可以打破预氧化和碳化速度不匹配的问题，在预氧化阶段通过快速预氧化实现低成本，在高温碳化阶段可适当延长碳化时间，从而降低碳化温度，减少强度损失，在进行二次高温碳化前先对碳纤维进行除胶处理； 6、中模量碳纤维由于拉伸模量升高，韧性降低，在复合材料加工成型过程中，容易发生单丝折断、磨损等，产生毛丝，一方面影响成型连续性；另一方面造成复合材料力学性能下降，碳纤维强度利用率低，为评价中模碳纤维的复合材料加工工艺性能，制订了碳纤维毛丝检测方法，碳纤维丝束在一定的张力状态下，通过数个具有一定角度的导辊，导辊经过表面处理，减少对丝的损伤，然后收集经过导辊后丝束表现的毛丝，并进行称量。在相同的丝束张力和辊体角度的情况下，产生的毛丝少，碳纤维的耐磨损性能好； 7、N0L环是评价碳纤维缠绕内压结构件的典型方法，采用缠绕工艺制备N0L样品，然后测试N0L的拉伸强度和拉伸模量，根据N0L拉伸强度和纤维体积含量以及碳纤维复丝拉伸强度，计算碳纤维在N0L环中的强度利用率，表面光滑的碳纤维在成型过程中损伤少，强度利用率相对较高，本涉及的产品具有光滑的表面，N0L中碳纤维强度利用率达到85%以上。【具体实施方式】【具体实施方式】一: 本【具体实施方式】采用的技术方案是:它的制备方法如下: 将原丝纤度为1.05dtex，规格为12K的PAN原丝放入预氧化炉中进行预氧化，预氧化温度在260°C，预氧化时间为45min，预氧化牵伸率为_10%，原液细流喷出后，给予其2_5倍的正牵伸，细流在单轴向牵伸力的作用下实现分子链取向和细旦化，得到预氧化纤维体密度为1.342g/cm3 ;将密度为1.342g/cm3的预氧化纤维体放入低温碳化炉中在低温、低浓的凝固浴中进行双扩散和相分离，低温碳化的温度为780°C，牵伸率为2%，低温碳化时间为60s，得到的低温碳化纤维体并丝等级为1级；将1级并丝的低温碳化纤维体水洗、水牵和致密化后，放入高温碳化炉中进行高温碳化，高温碳化的温度为1750°C，牵伸率为-5%，高温碳化时间为70s，纤维进行高倍蒸汽牵伸，蒸汽牵伸采用两级牵伸装置，第一级为预牵伸段，作用是预热丝束，使整个丝束处于均一的牵伸状态，并提高丝束的可牵伸性，为第二级的高倍牵伸，蒸汽牵伸倍数在4倍以上，以实现纤维取向度的进一步提高和碳纤维力学性能的提升，得到的碳纤维拉伸强度在5100Mpa，拉伸模量在293Gpa。本【具体实施方式】的纺速在300-450m/min之间，为减少溶剂残留引起的预氧化恪并，控制丝束溶剂残留量在60ppm以内，溶剂回收率达到本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于快速纺丝和高纤度原丝的中模碳纤维制备方法，其特征在于：它的制备方法如下：步骤1)：将高分子量、高固含量和高粘度的聚合原液，经脱单、脱泡和氨化处理后，高压过滤除去微凝胶和杂质；步骤2)：将步骤1)得到的原液由喷丝头喷出后，给予其2‑5倍的正牵伸，细流在单轴向牵伸力的作用下实现分子链取向和细旦化，然后在低温、低浓的凝固浴中进行双扩散和相分离，形成初生纤维；步骤3)：将步骤2)得到的初生纤维进行水洗、水牵、致密化后，然后实施蒸汽牵伸，得到碳纤维原丝；步骤4)：将步骤3)得到的规格为12K/24K、纤度为0.9～2.0dtex的PAN原丝放入预氧化炉中进行预氧化反应，预氧化温度在230～270℃，牵伸率为‑15～0%，预氧化时间为40～60min，得到密度为 1.33～1.36g/cm³的预氧化纤维体；步骤5): 将步骤4)中密度为1.33～1.36g/cm³的预氧化纤维体放入低温碳化炉中进行低温碳化，低温碳化的温度为400～800℃，牵伸率为0～5%，低温碳化时间为40～120s，得到低温碳化纤维体，并丝等级为1级；步骤6): 将步骤5)中的低温碳化纤维体放入高温碳化炉中进行高温碳化处理，牵伸率为‑2～‑6%，高温碳化时间为30～80s，碳化后最终得拉伸强度在4500～5100MPa，拉伸模量在270～310GPa，单丝直径为6‑10μm的碳纤维。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：连峰，郭鹏宗，张家好，杨平，欧阳新峰，
申请(专利权)人：中复神鹰碳纤维有限责任公司，中国复合材料集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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