一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，其过程是将PAN碳纤维原丝缠绕在金属管上使其具有张力，得到PAN碳纤维原丝筒管，将其放入反应釜中反应，反应过程中先排出空气，再充入CO2，使反应釜内部空间处于超临界CO2状态，慢速卸压，即获得改性PAN纤维；用于该方法的装置是将两个并行的反应釜用管道连接，两个反应釜中装有超临界CO2流体循环泵及其管道系统，与PAN碳纤维原丝筒管连接，两个反应釜中装有温度和压力调控系统。本发明专利技术的方法简单，易于操作，条件温和，时间短，环保，该方法得到大量较大强度的纤维，为高性能碳纤维的制备提供一种新的技术和方法。用于该方法的装置简单，易于操作。

A measuring method and device for the aromatization of PAN carbon fiber precursor

The present invention relates to a PAN carbon fiber precursor benzannulation production method, which is the process of PAN carbon fiber wound on the metal pipe which has tension, PAN carbon fiber bobbin, placed in the reactor reaction in the reaction process to discharge the air, and then filled the CO2. In the supercritical CO2 reactor internal space, slow pressure relief, as the modified PAN fiber; the device is connected with pipe two parallel reactor, two reaction kettle with supercritical CO2 fluid circulating pump and piping system, connected with the PAN carbon fiber bobbin. The two reactor equipped with temperature and pressure control system. The method of the invention is simple, easy to operate, mild in condition, short in time and environmental protection. This method obtains a lot of fibers with large strength, providing a new technology and method for the preparation of high performance carbon fibers. The device used in this method is simple and easy to operate.

【技术实现步骤摘要】
一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法及其装置
本专利技术属于纤维改性领域，特别涉及一种AN碳纤维原丝芳环化的量产方法及其装置。
技术介绍
聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时，随着碳纤维工艺的发展，其在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。聚丙烯腈(Polyacrylonitrile--PAN)纤维是制备高性能碳纤维的重要前驱体，其性能很大程度上影响着碳纤维的性能，但是PAN原丝预氧化工艺起着十分重要的作用，对PAN基碳纤维的影响至关重要。PAN原丝的强度很低，因此同过纤维改性使得PAN发生预氧化，预氧化的PAN发生环化，其纤维结构成为梯型结构，使得纤维的强度增大。传统的PAN改性方法是催化环化，这就是要添加一定的催化剂，使得这个环化过程程序增加，另外，没有张力的存在也使得PAN纤维难以有很好的结晶。超临界CO2流体具有无毒环保、密度近于液体，粘度近于气体、扩散系数高、溶解渗透能力大等优点，在药物提取、发泡、污水处理等领域存在重要用途。利用超临界CO2流体技术进行聚合物改性是新发展起来的一种方法。中国专利公报公开了一种申请号为CN201110274739.8，名称为一种聚丙烯腈基原丝预氧化的方法的专利申请，此方法预氧化过程中针对温度区间的分布进行多段拉伸，可以提高取向和纤维强度，但是此方法操作太麻烦，而且温度不好控制，降温和升温的速度也会对结果有影响。中国专利公报还公开了一种申请号为CN201310599463.X，名称为一种聚丙烯腈纤维PAN—基碳纤维初纤制造方法的专利申请，其主要技术方案是首先将聚丙烯腈纤维PAN在化学浴处理池中浸渍，在拉伸烘干进行预氧化。此方法可以使得就丙烯腈纤维预氧化，但是要首先进行浸渍处理，这就增加了实验程序，同时浸渍液处理也带来了问题，造成了环境污染等问题。中国专利公报还公开了一种申请号为CN201310419414.3，名称为一种芳纶纤维在超临界流体中拉伸取向提高力学性能的方法的专利申请，其主要方案是芳纶纤维在超临界二氧化碳中施加张力，首先芳纶在超临界二氧化碳中发生溶胀反应，在张力的作用下使分子链取向度提高，从而提高了芳纶纤维的力学性能，此方法环保、简单、可行性好。现有碳纤维生产的芳环化反应是在空气中进行氧化反应，形成交联的芳环化结构，这种芳环化方法将氧元素带入PAN纤维，在碳化阶段，以CO，CO2的化合物形式，带走碳元素，使得碳纤维的得率下降；芳环化反应需要从室温到300℃左右，是放热反应，芳环化反应太快，环化热会将PAN纤维熔化断裂，限制了碳纤维生产的氧化过程不能速度太快，目前一般需要45-120分钟才不会短丝。现有技术中将超临界流体技术与PAN纤维改性结合的技术报道很少，超临界流体的很多优点如：无毒环保、密度近于液体，粘度近于气体、扩散系数高、溶解渗透能力大等都对其在纤维改性方面的应用有很大优势，但是至今尚无将纤维加张力处理的报道，张力处理无疑是一个对超临界流体处理技术的有益补充，对提高纤维性能有很大帮助。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法及其装置，该方法简单，易于操作，条件温和，反应时间短，环保，在超临界CO2流体和张力条件下可以制备大量改性纤维，得到较大强度的纤维。本专利技术的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，包括：将PAN碳纤维原丝缠绕在金属管上使其具有张力，得到PAN碳纤维原丝筒管，将其放入反应釜中反应，反应温度为140-220℃，反应压力为8-18Mpa，反应过程中先排出空气，再充入CO2，使反应釜内部空间处于超临界CO2状态，慢速卸压，即获得改性PAN纤维。所述PAN碳纤维原丝是碳纤维T1000、T800或T300对应的原丝。所述金属管为带有圆孔的铜管。所述张力的大小为10-150N/dtex。所述反应的时间为1-40min。所述慢速泄压是指慢慢打开出气阀，使容器内压力以很小速度降为常压。所述慢速泄压时间为2-4min。所述反应温度是保证CO2处于超临界流体状态的一个重要指标，只有温度大于80℃，配合一定压力才能实现CO2处于超临界流体状态，另外温度对芳环化反应的发生有重要的影响。本专利技术的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法的装置，两个并行的反应釜，用管道连接，两个反应釜中装有超临界CO2流体循环泵及其管道系统，与PAN碳纤维原丝筒管连接，两个反应釜中装有温度和压力调控系统。本专利技术通过控制PAN碳纤维原丝卷绕张力来控制PAN碳纤维原丝在超临界二氧化碳流体处理过程中的张力。反应釜内装有超临界CO2流体循环泵及其管道系统，与带有多孔的PAN碳纤维原丝筒管(可以并联多个筒管)连接，让超临界CO2流体从筒管内部流向外部，形成循环，循环速度可调节。一定时间内第一个反应釜中PAN碳纤维原丝达到期望的芳环化程度后，在第二个反应釜中，再进行芳环化处理，从而可以达到很大程度的芳环化。本专利技术的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，通过超临界二氧化碳流体以及外加张力的存在下，PAN碳纤维原丝被超临界流体溶胀，分子链更容易运动，在张力作用下，分子链排列和发生取向，有利于消除微孔缺陷，形成规整结构，同时当达到一定温度，分子链间会发生分子内环化反应，从而得到拉伸取向和芳环化PAN纤维。PAN纤维环化是放热反应，芳环化反应太快，环化热，会将PAN碳纤维原丝熔化断裂，限制了碳纤维生产的氧化过程不能速度太快，目前一般需要45-120分钟才不会短丝；本专利技术利用超临界流体导热性好，可以及时将PAN碳纤维原丝芳环化反应热及时扩散，可以在保证不熔断PAN纤维的前提下，提高PAN碳纤维原丝的芳环化反应速度，1-40分钟就可以达到进一步碳化需要的芳环化反应程度，是一种PAN碳纤维原丝快速芳环化、并获得均匀芳环化碳纤维原丝的新方法。现有碳纤维生产的芳环化反应是在空气中进行氧化反应，形成交联的芳环化结构，这种芳环化方法将氧元素带入PAN纤维，在碳化阶段，以CO，CO2的化合物形式，带走碳元素，使得碳纤维的得率下降；本专利技术通过超临界二氧化碳流体，没有引入氧元素，可以提高碳纤维得率。本专利技术在两个并行的反应釜中升温，以保证PAN碳纤维原丝有足够芳环化程度，防止PAN碳纤维原丝没有足够交联芳环化，产生热收缩，从而破坏分子链取向，影响碳纤维。有益效果本专利技术的方法简单，易于操作，条件温和，反应时间短，环保，该方法可以制备大量芳环化纤维，得到大量较大强度的纤维，为高性能碳纤维的制备提供一种新的技术和方法。用于该方法的装置简单，易于操作。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1将两个并行的反应釜用管道连接，两个反应釜中超临界CO2流体循环泵及其管道系统与PAN碳纤维原丝筒管连接，两个反应釜中装有温度和压力调控系统；将PAN碳纤维原丝缠绕在带有圆孔的金属铜管上，使PAN碳纤维原丝在绷直的状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，包括：将PAN碳纤维原丝缠绕在金属管上使其具有张力，得到PAN碳纤维原丝筒管，将其放入反应釜中反应，反应温度为140‑220℃，反应压力为8‑18Mpa，反应过程中先排出空气，再充入CO2，使反应釜内部空间处于超临界CO2状态，慢速卸压，即获得改性PAN纤维。

【技术特征摘要】
1.一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，包括：将PAN碳纤维原丝缠绕在金属管上使其具有张力，得到PAN碳纤维原丝筒管，将其放入反应釜中反应，反应温度为140-220℃，反应压力为8-18Mpa，反应过程中先排出空气，再充入CO2，使反应釜内部空间处于超临界CO2状态，慢速卸压，即获得改性PAN纤维。2.按照权利要求1所述的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，其特征在于，所述PAN碳纤维原丝是碳纤维T1000、T800或T300对应的原丝。3.按照权利要求1所述的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，其特征在于，所述金属管为带有圆孔的铜管。4.按照权利要求1所述的一种PAN碳纤维原丝芳环化的量产方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：余木火，乔蒙蒙，孔海娟，丁小马，吴瑶，余许多，林江滨，
申请(专利权)人：东华大学，上海华渔新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31