一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法及制备的聚丙烯腈基碳纤维技术

本发明专利技术涉及提高一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，主要解决现有技术中聚丙烯腈基碳纤维的毛丝多、断丝多和力学性能差的问题。本发明专利技术采用在蒸汽牵伸过程中，对结晶度在50～80％之间，晶粒尺寸在5～9nm之间，晶区取向度在65～90％之间的聚丙烯腈初生纤维进行形变速率为0.05s

【技术实现步骤摘要】
一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法及制备的聚丙烯腈基碳纤维


[0001]本专利技术属于聚丙烯腈基碳纤维制备
，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法及该方法制备得到的聚丙烯腈基碳纤维。

技术介绍

[0002]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(PAN)基碳纤维是一种人工合成的无机纤维，由丙烯腈和共聚单体经过聚合、纺丝得到聚丙烯腈原丝，再经过预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。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。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。原丝的制备用到的牵伸工艺有热水牵伸、饱和水蒸汽牵伸，原丝在生产过程中，经过沸水牵伸后的纤维处于溶胀态和多孔态，这种微观结构不利于进一步高倍牵伸，通过一定张力下的干燥致密化工序，可使孔隙闭合，纤维的网状结构变得致密，这是提高聚丙烯腈基碳纤维力学性能的一个重要的和必不可少的步骤。
[0003]目前对聚丙烯腈基碳纤维原丝干燥致密化通常采用蒸汽加热方式，这种方式能保证辊面温度均匀度，但是温度不易控制，波动性较大，设备本身的旋转接头、回水疏水器等部分易出现故障，引丝操作中，过高压力的蒸汽也易引发烫伤等安全事故。
[0004]中国专利CN 106498519 A公开了一种碳纤维原丝纺丝干燥致密化装置，属于碳纤维原纺织设备领域。本专利技术装置包括箱体、循环管道、风机、加热器、加热管、加热辊、连接轴、蒸汽喷淋装置，蒸汽喷淋装置包括垂直设置的蒸汽主管路、与蒸汽主管路垂直的蒸汽喷淋管、与蒸汽喷淋管相连通的喷头。本专利技术对丝束进行干燥致密化，效果好、效率高，内部气流较均匀，形成稳定的温度梯度变化，减小对碳纤维丝束的干扰，提升碳纤维丝素的干燥效果，同时可以进行蒸汽牵伸，丝丝束在行走过程中获得较大的牵伸倍数。
[0005]上述专利的专利技术每组辊子两侧安装喷淋管，在丝束行走过程中通过调整喷淋量大小，可以进行蒸汽牵伸，使丝束在行走跟陈总获得较大的牵伸倍数；通过加热管对箱体内部进行加热干燥和循环热风以及加热辊加热等模式集合对丝束进行干燥致密化，干燥致密化效果好、效率高，内部气流较均匀，减小对碳纤维丝束的干扰，提升碳纤维丝束的干燥致密化效果；箱体整体温度分布均匀，丝束行走在箱体中时受热均匀，进而提高了丝束的整体性能。上述专利在同一装置内实施干燥致密化和蒸汽牵伸，该装置可以调节蒸汽喷淋量的大小，但不能控制蒸汽牵伸的压力，另外，该专利属于装置范畴，未公开蒸汽牵伸的工艺，以及实施后纤维的品质效果，且干燥致密化是在蒸汽氛围内进行。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中存在的聚丙烯腈基碳纤维的毛丝多、断丝多和碳纤维的力学性能差的问题，提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，该方法具有聚丙烯腈基碳纤维的毛丝少、断丝少和碳纤维的力学性能良好的优点。
[0007]本专利技术的目的之一在于提供一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括将由纺丝、蒸汽牵伸、热定型后得到的聚丙烯腈原丝经过预氧化、碳化处理得到所述的聚丙烯腈基碳纤维，其中，所述的纺丝优选为湿法纺丝，所述的蒸汽牵伸过程中纤维的拉伸形变速率为0.05～0.5s
‑1，优选为0.08～0.42s
‑1。
[0008]具体地，所述的制备方法包括聚丙烯腈纺丝原液经过喷丝挤出、凝固成型得到聚丙烯腈初生纤维，再经热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型得到聚丙烯腈原丝，将聚丙烯腈原丝经过预氧化、碳化处理后得到聚丙烯腈基碳纤维。
[0009]上述制备方法中，所述的聚丙烯腈初生纤维的丝束为1～50K，优选为1～12K；对应地，所述凝固成型步骤中可以采用1～50K喷丝板，优选为1～12K喷丝板。
[0010]所述聚丙烯腈原丝的含水率为0.5～2％，含油率为0.5～2％；优选地，所述聚丙烯腈原丝的含水率为0.8～1.5％，含油率为0.8～1.5％；
[0011]所述聚丙烯腈原丝的纤度为0.5～1.5dtex；
[0012]所述聚丙烯腈原丝的结晶度为70～85％、晶粒尺寸为8～12nm、晶区取向度为85～95％。
[0013]上述制备方法中，
[0014]所述的喷丝挤出、凝固成型采用本领域常用的设备和工艺条件完成即可，优选地，喷丝挤出温度为30～80℃，凝固成型温度为20～70℃，凝固成型的牵伸倍率为0.5～1.5；
[0015]所述热水牵伸的温度为70～99℃，优选为85～95℃；所述热水牵伸的总牵伸倍数为3.5～7.0，优选为3.5～5.5；
[0016]所述热水牵伸至少两道，其中，每道热水牵伸的温度依次升高，牵伸倍数相同或不同；
[0017]所述水洗的温度为40～80℃；所述的水洗至少两道，优选地，所述水洗采用阶梯升温的方式，升温梯度为4～20℃/道。
[0018]上述制备方法中，
[0019]所述的上油过程采用本领域常用的设备和上油工艺完成即可，优选地，采用的油剂质量浓度范围为0.5～5.0％，在常温下完成上油操作；
[0020]所述的上油和干燥致密化至少两道；所述干燥致密化温度为60～180℃，优选为70～130℃。
[0021]上述制备方法中，所述蒸汽牵伸的饱和蒸汽压力(相对压力)为0.05～0.60MPa，优选为0.25～0.45MPa；所述蒸汽牵伸采用压力波动不大于1％的水蒸气作为介质，优选采用压力波动不大于0.5％的水蒸气作为介质；所述的蒸汽牵伸过程中纤维的拉伸形变速率为为0.05～0.5s
‑1，优选为0.08～0.42s
‑1；所述蒸汽牵伸前的聚丙烯腈初生纤维的结晶度为50～80％、晶粒尺寸为5～9nm、晶区取向度为65～90％；优选地，所述蒸汽牵伸前的聚丙烯腈初生纤维的结晶度为55～70％、晶粒尺寸为5～8nm、晶区取向度为70～85％；所述蒸汽牵伸前的聚丙烯腈初生纤维的含水量＜5％，优选为＜0.5％。
[0022]以上所述的蒸汽牵伸前的聚丙烯腈初生纤维，是指在所述蒸汽牵伸前经过包括所述热水牵伸、干燥致密化在内等步骤处理后的聚丙烯腈初生纤维。所述的结晶度和晶粒尺寸采用X射线衍射中赤道扫描的分析结果获得；所述的取向度是指晶区取向度，采用X射线衍射中方位角扫描的分析结果获得。本专利技术在纺丝原液经过喷丝挤出、凝固成型过程中，根据不同喷丝板参数对应调整所述范围内的挤出温度、凝固浴温度、凝固成型的牵伸倍率、热水牵伸温度和牵伸倍率以及干燥致密化条件，使得得到的聚丙烯腈初生纤维在干燥致密化后具备在本专利技术所述特定范围内的晶粒尺寸大小和晶区含量。
[0023]上述制备方法中，所述的热定型在饱和水蒸气氛围中进行；所述热定型的水蒸气压力(相对压力)为0.05～0.30MPa，优选为0.10～0.20MPa；所述热定型的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括将由纺丝、蒸汽牵伸、热定型后得到的聚丙烯腈原丝经过预氧化、碳化处理得到所述的聚丙烯腈基碳纤维，其中，所述的纺丝优选湿法纺丝，所述的蒸汽牵伸过程中纤维的拉伸形变速率为0.05～0.5s
‑1，优选为0.08～0.42s
‑1。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括聚丙烯腈纺丝原液经过喷丝挤出、凝固成型得到聚丙烯腈初生纤维，再经热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、所述蒸汽牵伸、热定型得到聚丙烯腈原丝，将聚丙烯腈原丝经过预氧化、碳化处理后得到聚丙烯腈基碳纤维。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的聚丙烯腈初生纤维的丝束为1～50K，优选为1～12K。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈原丝的含水率为0.5～2％，含油率为0.5～2％；优选地，所述聚丙烯腈原丝的含水率为0.8～1.5％，含油率为0.8～1.5％；和/或，所述聚丙烯腈原丝的纤度为0.5～1.5dtex；和/或，所述聚丙烯腈原丝的结晶度为65～90％、晶粒尺寸为7～14nm、晶区取向度为70～95％；优选地，所述聚丙烯腈原丝的结晶度为70～85％、晶粒尺寸为8～12nm、晶区取向度为85～95％。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热水牵伸的温度为70～99℃，优选为85～95℃；和/或，所述热水牵伸的总牵伸倍数为3.5～7.0，优选为3.5～5.5；和/或，所述水洗的温度为40～80℃，优选为55～75℃；和/或，所述的上油和干燥致密化至少两道；和/或，所述干燥致密化温度为70～180℃，优选为80～130℃。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述蒸汽牵伸的饱和蒸汽压力为0.05～0.60MPa，优选为0.25～0.45MPa；和/或，所述蒸汽牵伸采用压力波动不大于1％的水...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈志刚，王贺团，肖士洁，
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：