聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法及丝束和应用方法技术

本发明专利技术涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法及丝束和应用方法，主要解决现有技术中碳纤维原丝丝束中细丝和(或者)粗丝数量多、纤维截面尺寸分布不均匀和力学性能差的问题。本发明专利技术采用一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，采用特性粘数为1.5～2.0dL/g的聚丙烯腈纺丝溶液进行纺丝，包括凝固和干燥致密化的步骤；其特征在于，所述凝固步骤中，丝束张力Q1＝k1×

【技术实现步骤摘要】
聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法及丝束和应用方法


[0001]本专利技术涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法及丝束和应用方法，属于碳纤维生产领域，具体来说是一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]专利CN110230130A公开了一种高强中模碳纤维原丝制备方法。包括下列步骤进行聚合、凝固成型、水洗、热水牵伸、上油及干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型、原丝收集，得到成品原丝。凝固丝条在出凝固浴后、进水洗之前对其施加张力，该张力即离浴张力，范围为0.5-1.0cN/dtex；在离浴过程中，控制环境温度在23
±
5℃，湿度≥50％；水洗的水温控制在30～70℃，水洗过程丝束张力范围1.0-3.5cN/dtex，水洗槽数为6～11个；干燥致密化过程
分为两部分，一段干燥致密化温度为100-120℃，且一段干燥致密化由循环风系统对干燥致密化湿度进行控制，湿度≤60％，二段干燥致密化温度为150-190℃。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题之一是现有技术中存在的碳纤维原丝中细丝和(或者)粗丝数量多、纤维截面尺寸分布不均匀和力学性能差的问题，提供了一种用于制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的方法，该制备方法具有碳纤维原丝中细丝和(或者)粗丝数量少、纤维截面尺寸分布均匀和力学性能好的优点。
[0009]本专利技术所要解决的技术问题之二是提供一种细丝和(或者)粗丝数量少、纤维截面尺寸分布均匀和力学性能好的聚丙烯腈基碳纤维原丝丝束。
[0010]本专利技术所要解决的技术问题之三是提供一种细丝和(或者)粗丝数量少、纤维截面尺寸分布均匀和力学性能好的聚丙烯腈基碳纤维原丝丝束的应用方法。
[0011]为了解决上述的技术问题之一，本专利技术所采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，采用特性粘数为1.5～2.0dL/g的聚丙烯腈纺丝溶液进行纺丝，包括凝固和干燥致密化的步骤；其特征在于，所述凝固步骤中，丝束张力Q1＝k1×
M；其中，Q1为凝固步骤中的丝束张力，单位cN；k1为张力系数，k＝0.05～0.40；M为丝束根数。所述干燥致密化步骤中，丝束张力Q2＝k2×
M；其中，Q2为干燥致密化步骤中的丝束张力，单位cN；k2为张力系数，k2＝0.38～1.10；M为丝束根数。
[0012]上述技术方案中，所述的纺丝方法包括湿法纺丝或干喷湿法纺丝。
[0013]上述技术方案中，所述的纺丝方法优选为湿法纺丝，此时优选所述k1＝0.05～0.20；所述的湿法纺丝的凝固温度优选为45～60℃。
[0014]上述技术方案中，所述的纺丝方法优选为干喷湿纺，此时优选所述k1＝0.20～0.40。
[0015]本专利技术人发现，在原丝制备过程中，上述凝固步骤和干燥致密化步骤中的丝束张力控制对原丝丝束中细丝数量、粗丝数量及纤维截面尺寸分布的影响，比较关键，控制上述技术特征的制备方法，可以制得细丝和(或者)粗丝数量少、纤维截面尺寸分布均匀的碳纤维原丝，该原丝具有力学性能好的优点。
[0016]上述技术方案中，所述制备方法制得的所述原丝丝束中粗丝占比为小于1％，细丝占比小于1％，直径CV值小于6％；直径CV值优选为4％～5.5％，粗丝占比优选为小于0.5％；进一步所述制备方法制得的所述原丝断裂强度优选为5.5～9.0cN/dtex，强度CV优选为4～8％；断裂伸长率优选为11～14％，伸长率CV值优选为9～15％；初始模量优选为116～156cN/dtex，模量CV值优选为4.0～8.0％。
[0017]上述技术方案中，所述的聚丙烯腈纺丝溶液中采用的溶剂优选为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、硫氰酸钠水溶液、氯化锌水溶液、硝酸中的一种或者两种及以上的组合。
[0018]上述技术方案中，优选所述的M＝1000～12000；更优选M为1000、3000、6000和12000。
[0019]上述技术方案中，所述制备方法还优选包括热水牵伸、水洗、上油、饱和蒸汽牵伸、蒸汽热定型和收丝的步骤。所述的水洗和热水牵伸的组合方式可以任意优选为先水洗后牵
伸、先牵伸后水洗或者边牵伸边水洗中的一种。
[0020]上述技术方案中，所述的热水牵伸步骤中，纤维的单丝张力优选为0.40～0.60cN之间；所述的上油步骤中，纤维的单丝张力优选为0.40～0.60cN之间。所述的饱和蒸汽牵伸步骤中，纤维的单丝张力优选为0.30～0.35cN之间。所述的定型步骤中，纤维的单丝张力优选为0.20～0.25cN之间。
[0021]上述技术方案中，所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，采用特性粘数为1.5～2.0dL/g的聚丙烯腈纺丝溶液进行纺丝，包括凝固和干燥致密化的步骤；其特征在于，所述凝固步骤中，丝束张力Q1＝k1×
M；其中，Q1为凝固步骤中的丝束张力，单位cN；k1为张力系数，k1＝0.05～0.40；M为丝束根数；所述干燥致密化步骤中，丝束张力Q2＝k2×
M；其中，Q2为干燥致密化步骤中的丝束张力，单位cN；k2为张力系数，k2＝0.38～1.10；M为丝束根数。2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的纺丝方法包括湿法纺丝或干喷湿法纺丝。3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的纺丝方法为湿法纺丝，所述k1＝0.05～0.20。4.根据权利要求2或3任一所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的湿法纺丝的凝固温度为45～60℃。5.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的纺丝方法为干喷湿纺，所述k1＝0.20～0.40。6.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的纺丝中用的溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、硫氰酸钠水溶液、氯化锌水溶液、硝酸中的一种或者两种及以上的组合。7.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述的M＝1000～12000；优选M为1000、3000、6000或12000。8.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于所述制备方法还包括热水牵伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贺团，沈志刚，缪金根，周勤灼，
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：