一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，主要解决现有技术中存在的丝束易烧断、易产生毛丝的问题。该方法包括将聚丙烯腈丝束依次经预处理、多段高温空气处理和后处理，制得聚丙烯腈预氧化纤维；所述多段高温空气处理的方法包括：使经预处理的聚丙烯腈丝束在至少两个温区中加热；其中，每个温区包括至少3个加热段，每个加热段上施加热空气流，且加热段之间的热空气流速度满足：2≥(V

【技术实现步骤摘要】
一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法


[0001]本专利技术属于预氧化纤维的制备
，具体涉及一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，更具体涉及一种以干法纺丝制备的聚丙烯腈共聚纤维为原料制备预氧化纤维的方法。

技术介绍

[0002]聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维具有极高的耐热性、阻燃性、耐腐蚀性、不熔、不软化的特点，其耐热性可达到300℃，在耐火服、隔热填充材料、C/C复合材料预制体等方面得到广泛的应用。
[0003]预氧化纤维具有足够的强度和延伸度，且具有优越的加工性能。与石棉及玻璃纤维相比具有良好的垂感，还具有低密度、高含水率的特点，可作衣料使用。同时，其还具有隔热性能良好和电绝缘性的特点，可作为耐火填充物、绝缘工作服、消防服、焊接工作服的原料使用。
[0004]高温下，聚丙烯腈原丝在空气氛围中发生一系列化学和物理变化形成聚丙烯腈预氧化纤维。在该过程中，PAN原丝的线型分子链转化为具有耐热梯型结构，使其具有不熔、不软化和耐高温等性质。
[0005]聚丙烯腈原丝的制备方法有多种，根据初生纤维的纺丝方法的不同可分为湿法纺丝、干法纺丝、干喷湿法纺丝和熔融纺丝，通过不同的纺丝方法制备的聚丙烯腈原丝均可用于制备预氧化纤维。但是，纺丝方法可导致所制备的聚丙烯腈原丝的表面形貌、纤维致密性、内部孔洞结构、结晶度、取向度、含油率等存在不同，使其后续的聚丙烯腈预氧化纤维存在明显不同。
[0006]聚丙烯腈原丝的干法纺丝是将聚丙烯腈共聚物溶解在二甲基甲酰胺等溶剂中，将聚丙烯腈共聚物溶液从喷丝头毛细孔中挤出，进入纺丝甬道中，在甬道中通入高温惰性气体，溶剂在高温下从聚丙烯腈共聚物溶液中快速挥发，挥发出来的溶剂被高温惰性气体带走，在逐渐脱除溶剂的同时，原液细流受到高倍牵伸被拉长为细丝，从而形成初生纤维；初生纤维经过后续的再次牵伸、水洗、上油、定型的工艺处理后形成聚丙烯腈原丝。
[0007]干法纺丝制备聚丙烯腈原丝工艺具有固含量大、纺丝速度快等优点，所制备的聚丙烯腈原丝具有纤维致密性高、力学强度高等特点。同时，原丝截面呈现出哑铃型，使其在作为衣料纤维使用时具有与其他纺丝方法所制备的常规圆形截面或扁平形截面不同的穿戴触感和衣物风格。
[0008]聚丙烯腈预氧化纤维制备过程包括了丝束铺展、预干燥、二次铺展、多段高温空气处理、上浆、后干燥、收丝等工艺，其中高温处理过程是预氧化纤维制备的重要过程，一系列化学和物理变化主要发生在该过程中，过程中产生大量的热，不合适的处理工艺将会导致丝束放热集中，引发丝束受热断裂。专利CN109440230A、CN109537106A公开了聚丙烯腈原丝、预氧化纤维或碳纤维的制备方法，但所公开的聚丙烯腈原丝纺丝方法为湿法纺丝或干喷湿法纺丝，且未公开预氧化纤维制备的流程与工艺，更未公开预氧化纤维制备的温度场
及空气场。专利CN104662214B公开了一种肾形截面的聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，专利中的纤维截面呈现出湿法纺丝所特有的肾形截面，与干法纺丝的哑铃型截面存在明显不同；专利中所采用的加热方式为热辊加热或热辊加热与热气氛加热相结合的方式，采用该方法为确保足够的停留时间，丝束需长时间与加热辊接触，可造成丝束与辊面的摩擦引起的纤维的磨损，形成起毛。专利CN103703037B公开了聚丙烯腈预氧化纤维束的制造方法，但该专利仅公开了预氧化纤维的体密度参数，并未公开适合干法纺丝的聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，更未明确表明该方法适合干法纺丝所制备的聚丙烯腈纤维，并且其公开的聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法中并未公开氧化炉的炉体结构和吹风方式。
[0009]鉴于现有的干法纺丝聚丙烯腈纤维作为预氧化前驱体制备碳纤维过程中存在丝束易烧断、易产生毛丝的缺点，因此，目前存在的问题是急需研究开发一种以干法纺丝制备聚丙烯腈共聚纤维为原料制备预氧化纤维的方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法。该方法较好的解决了丝束易烧断、易产生毛丝的问题，具有在纺丝过程中丝束不易烧断且毛丝少的优点。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，其包括：将聚丙烯腈丝束依次经预处理、多段高温空气处理和后处理，制得聚丙烯腈预氧化纤维；所述多段高温空气处理的方法包括：使经预处理的聚丙烯腈丝束在至少两个温区中加热；其中，每个温区包括至少3个加热段，每个加热段上施加热空气流，且加热段之间的热空气流速度满足：2≥(V
n
/V
n+1
)2≥1；其中，V
n
为第n加热段的热空气流速度，V
n+1
为第n+1加热段的热空气流速度，30m/min≥V
n
≥5m/min。
[0012]上述技术方案中，所述加热段之间的热空气流速度满足：1.5≥(V
n
/V
n+1
)2≥1；20m/min≥V
n
≥10m/min。更优选地，所述加热段之间的热空气流速度满足：1.5≥(V
n
/V
n+1
)2＞1，即沿聚丙烯腈丝束运行方向，各加热段的热空气流速度逐渐降低。
[0013]本专利技术中，热空气流速度(V
n
)是过程中的关键控制因素之一，对该过程中纤维热量从丝束内部撤出具有明显影响。热空气流速度过快，将导致丝束与热空气间摩擦增加，丝束易损伤；热空气流速度过慢，将导致丝束热量不能及时移出，丝束易放热集中而断裂。随着热处理过程中聚丙烯腈分子链环化结构的形成，纤维中梯形结构的形成使纤维耐热性逐渐提高，同时纤维的力学强度逐渐降低，为提高处理过程的经济性和减少高温空气对纤维的损伤，优选采取热空气流速度沿纤维运行过程逐渐降低的技术方案，避免高速空气下纤维的断裂。
[0014]上述技术方案中，在所述多段高温空气处理的过程中，所述热空气流的流动方向与所述聚丙烯腈丝束的运行方向逆向。本专利技术中，将所述热空气流的流动方向与所述聚丙烯腈丝束的运行方向设置为逆向可增加热交换速度，及时带走热量。
[0015]本专利技术中，多段高温空气处理可采用管式炉也可采用箱式炉，优选采用管式炉，因丝束通常在一个温区中折返运行，采用管式炉可确保吹风方向与丝束方向逆向，采用箱式炉将不能保证丝束运行方向与热空气方向逆向，必然存在丝束运行方向与热空气方向同向运行。
[0016]上述技术方案中，在所述多段高温空气处理的过程中，所述聚丙烯腈丝束的纤维牵伸比逐渐降低。纤维在多段高温空气处理过程中，为避免预氧化纤维中纤维自由收缩形成大量缺陷，通常需要在纤维处理过程中施加一定的牵伸比。由于在多段高温空气处理过程中，纤维环化结构形成，分子链间相互作用变化，力学强度下降，因此聚丙烯腈丝束的纤维牵伸比逐渐降低。本专利技术中，控制各温区的聚丙烯腈丝束中纤维的牵伸比≤1.05倍。
[0017]本专利技术中，多段高温空气处理温度不宜过低，温度过低，需要较长的处理时间，处理的经济性变差。因此，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈预氧化纤维的制备方法，其包括：将聚丙烯腈丝束依次经预处理、多段高温空气处理和后处理，制得聚丙烯腈预氧化纤维；所述多段高温空气处理的方法包括：使经预处理的聚丙烯腈丝束在至少两个温区中加热；其中，每个温区包括至少3个加热段，每个加热段上施加热空气流，且加热段之间的热空气流速度满足：2≥(V
n
/V
n+1
)2≥1；其中，V
n
为第n加热段的热空气流速度，V
n+1
为第n+1加热段的热空气流速度，30m/min≥V
n
≥5m/min。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热段之间的热空气流速度满足：1.5≥(V
n
/V
n+1
)2≥1；20m/min≥V
n
≥10m/min。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述多段高温空气处理的过程中，所述热空气流的流动方向与所述聚丙烯腈丝束的运行方向逆向。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，沈志刚，昌志龙，
申请(专利权)人：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：