高强型聚丙烯腈原丝的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，主要解决现有技术中凝固过程和热水牵伸过程中毛丝多、断丝多及原丝强度低、离散系数高的问题。本发明专利技术采用一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，采用湿法纺丝，包括至少一道凝固，其特征在于离开第一道凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的质量百分浓度为70％～85％的技术方案，较好地解决了该问题，可用于聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备过程中。

【技术实现步骤摘要】
高强型聚丙烯腈原丝的制备方法
本专利技术涉及一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，具体来说是一种通过控制凝固纤维和热水牵伸纤维中溶剂含量来制备高强型聚丙烯腈原丝的湿法纺丝的方法。
技术介绍
PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。聚丙烯腈原丝的制备涉及原液的制备和原液的纺丝两个大过程，其中原液的制备包括聚合，脱单和脱泡三道道工序，原液的纺丝包括原液的过滤、计量、凝固、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化蒸汽牵伸、热定型和卷绕等十几道工序。如上所述，原丝的制备用到的牵伸工艺有热水牵伸和饱和水蒸汽牵伸，牵伸工序是实现原丝细旦化和高强化的必然选择。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。生产优质PAN原丝对纺丝设备和工艺提出了很高的要求，尤其是对工艺参数的要求尤其严苛。热水是实现聚丙烯腈原丝热水牵伸的重要介质，其主要是原丝在温度接近沸水的的热水里面实现高倍牵伸的工序。传统的热水牵伸槽，加热盘管位于牵伸槽的底部，孔眼板与盘管几乎接触，位于盘管的正上部，加热介质为6公斤及以上的饱和蒸汽。这样的结构，使得盘管和水的换热剧烈，致使盘管表面急剧形成气泡，气泡通过孔眼板的孔眼和孔眼板两侧的空隙，扩散至原丝附近，引起原丝产生毛丝、断丝和缠辊现象，影响正常纺丝。PAN基碳纤维原丝是一种人工合成的无机纤维原丝。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维原丝状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维原丝。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。所制备的原丝要实现高纯化、高强化、细旦化和致密化；单丝之间分线性好，原丝表面不能有明显缺陷。制备高品质碳纤维的前提条件是必须使用优质的聚丙烯腈原丝，这是多年经验的总结，只有好的纺丝原液才能纺制出优质的聚丙烯腈原丝。专利CN201010516040.3公开了一种聚丙烯腈原丝的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)将聚丙烯腈纺丝原液经纺丝后喷入脂肪醇凝固浴中进行凝固得到初级凝胶丝条；(2)将所述初级凝胶丝条加入至少一级无机盐水溶液凝固浴中进行凝固得到聚丙烯腈凝固丝条；(3)将所述聚丙烯腈凝固丝条进行水洗并经干燥即得所述聚丙烯腈原丝。本专利技术在不改变现有工艺方法的情况下，仅增加一段由脂肪醇和无机盐的水溶液组成的凝固浴即可得到结构更致密、性能更优良的聚丙烯腈原丝。本专利技术采取的方法不同于专利CN201010516040.3中增加两道(脂肪醇和无机盐)凝固浴的做法，也与现有工艺控制凝固浴浴液浓度的方法不同，而是采用湿法纺丝过程中控制凝固纤维和热水牵伸纤维中溶剂含量的技术方案。专利CN201110180907.7公开了一种聚丙烯腈原丝的均质化凝固成型方法，本专利技术公开了一种聚丙烯腈原丝的均质化凝固成型方法，采用湿法纺丝技术，使聚丙烯腈纺丝液细流在凝固浴中进行溶剂—沉淀剂双扩散，凝固析出而形成聚丙烯腈原丝，该方法的特点是在凝固浴中加入含氨化合物，该含氨化合物作为第三组分，能够减缓聚丙烯腈纺丝液凝固过程中的双扩散速度，从而实现了凝固成型的均质化，获得了高性能的聚丙烯腈原丝及碳纤维。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中存在的凝固过程和热水牵伸过程中毛丝多、断丝多及原丝强度低、离散系数高的问题，提供了一种用于制备高强型聚丙烯腈原丝的方法，该制备方法具有毛丝少、断丝少、聚丙烯腈原丝强度高和离散系数低的优点。为了解决上述的技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，采用湿法纺丝，包括至少一道凝固，其特征在于离开第一道凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的质量百分浓度为70％～85％。上述技术方案中，所述的方法还包括热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、饱和蒸汽牵伸、蒸汽热定型和收丝的步骤。上述技术方案中，所述的有机溶剂与聚丙烯腈原液聚合和/或者溶解过程使用的溶剂相同。所述的凝固浴浓度比离开该凝固浴的初生纤维中有机溶剂的质量分数低5～20％。上述技术方案中，所述的有机溶剂包括二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的至少一种。上述技术方案中，所述的凝固过程道数为1～3之间；所述的热水牵伸过程道数为1～3之间。上述技术方案中，所述的最后一道凝固的牵伸倍数为最后一道凝固后传动辊表面的线速度与该道凝固前传动辊表面的线速度之间的比值。上述技术方案中，所述的凝固过程中，最后一道凝固采用正牵伸，牵伸倍数为1.0～1.3之间。上述技术方案中，所述的离开第二凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的浓度在50％～65％之间。上述技术方案中，所述的离开第三凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的浓度在15％～35％之间。上述技术方案中，所述的离开第一道热水牵伸的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的含量在10000～25000ppm之间。上述技术方案中，所述的离开第二道热水牵伸的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的含量在5000～10000ppm之间。上述技术方案中，所述的离开第三道热水牵伸的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的含量不超过5000ppm。上述技术方案中，所述的离开第一凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的浓度优选为80％～85％之间。上述技术方案中，所述的离开第二凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的浓度优选为55％～60％之间。上述技术方案中，所述的离开第三凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的浓度优选为30％～35％之间。上述技术方案中，所述的离开第一道热水牵伸的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的含量优选为20000～25000ppm之间。上述技术方案中，所述的离开第三道热水牵伸的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的含量优选为不超过2000ppm。初生纤维内部水溶液中有机溶剂含量的测试方法：所述的离开凝固浴的初生纤维中内部溶剂的水溶液的浓度，采用紫外—可见分光光度的方法进行测试；所述的热水牵伸中内部溶剂的含量，采用紫外—可见分光光度的方法进行测试；所述的紫外—可见分光光度的方法的标准曲线中的溶剂的有效浓度范围为5ppm～200ppm之间；将2g～10g凝固初生纤维或者热水牵伸初生纤维放入三口烧瓶内，加入50g～300g纯水，采用索氏萃取器回流3小时，保持加热用油浴锅的温度恒定，温度控制在85℃～95℃之间，然后去萃取液稀释1～2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，采用湿法纺丝，包括至少一道凝固，其特征在于离开第一道凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的质量百分浓度为70％～85％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，采用湿法纺丝，包括至少一道凝固，其特征在于离开第一道凝固浴的初生纤维内部水溶液中有机溶剂的质量百分浓度为70％～85％。


2.根据权利要求1所述的高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于所述的方法还包括热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、饱和蒸汽牵伸、蒸汽热定型和收丝的步骤。


3.根据权利要求1所述的高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂与聚丙烯腈原液聚合和/或者溶解过程使用的溶剂相同。


4.根据权利要求1所述的高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于所述的凝固浴浓度比离开该凝固浴的初生纤维中有机溶剂的质量分数低5～20％。


5.根据权利要求1所述的高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂包括二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的至少一种。


6.根据权利要求2所述的高强性聚丙烯腈原丝的制备方法，所述的凝固过程道数为1～3之间；所述的热水牵伸过程道数为1～3之间。


7.根据权利要求2所述的高强型聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于所述的最后一道凝固的牵伸倍数为最后一道凝固后传动辊...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贺团，沈志刚，刘俊彦，李磊，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11