CN101967689A

CN101967689A - 聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置

Info

Publication number: CN101967689A
Application number: CN 201010299371
Authority: CN
Inventors: 欧阳琴; 陈友汜; 莫高明; 马洪波; 徐敏君; 严庆
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Zhejiang Taixian New Materials Co., Ltd.
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN101967689B

Abstract

本发明公开了聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置，在每级凝固浴均设有自动补水装置，通过调节自动补水装置的补水速度控制每级凝固浴浓度，所述的补水速度基于原理：补加的水等于丝条从凝固浴中净带走的水与将丝条在凝固浴中释放出来的良溶剂稀释至凝固浴浓度所需要的水的总和。与现有技术相比，本发明聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置具有操作方便、设备简单的优点，克服了人工间歇补水所带来的操作误差，能够实现对每级凝固浴浓度的精确控制，从而有利于生产出稳定的高性能的聚丙烯腈原丝。

Description

聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈原丝的纺丝技术领域，具体涉及聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等众多优异性能，已在航空航天、国防军工以及民用工业的各个领域得到广泛应用。按原料路线，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基三大类型。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。

众所周知，高性能PAN原丝是制备高性能PAN基碳纤维的前提。只有采用稳定的高性能的PAN原丝才能制得稳定的高性能的PAN基碳纤维。PAN原丝的生产包括聚合、脱单、脱泡、喷丝、凝固、牵伸、水洗、上油、干燥等工艺步骤。其中凝固工艺作为纤维成型的关键步骤，对原丝的结构和性能影响极大，因而需要对其进行精细调控。PAN原丝主要有两种纺丝方法，即湿纺和干喷湿纺。两者的区别在于：前者是纺丝液从喷丝孔挤出后直接进入凝固浴，而后者是纺丝液从喷丝孔挤出后先经过一段空气层，然后进入凝固浴。无论采用哪种纺丝方法，当纺丝液细流进入凝固浴之后，都在浓差的作用下开始进行双扩散，即纺丝液细流中的溶剂，如二甲基亚砜，向凝固浴中扩散，凝固浴中的不良溶剂向纺丝液细流中扩散，该不良溶剂一般为水。双扩散的速度是影响原丝结构和性能的关键因素，因为它直接决定初生丝条的截面形状和内部结构。双扩散的速度主要是由浓差决定的，所以凝固浴浓度的波动必将导致双扩散速度发生变化。因此，要制得稳定的高性能PAN原丝，就必须实现对凝固浴浓度的精确控制。

为了温和可控地完成双扩散，一般采用多级凝固浴。凝固浴由PAN的一种良溶剂和一种非良溶剂的混合物组成，PAN的常用良溶剂有二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺(DMAc)等，PAN的常用非良溶剂一般为水。多级凝固浴的浓度，即良溶剂的含量依次降低。但是，目前关于PAN原丝纺丝凝固浴浓度的控制方法，鲜见报道。如果采用人工间歇往凝固槽里补加水的方法来控制各级凝固浴浓度，由于受制于人为操作误差而难以实现对凝固浴浓度的精确控制，不利于制得稳定的高性能PAN原丝。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置，能够克服了人工间歇补水所带来的操作误差，实现对每级凝固浴浓度的精确控制，从而有利于生产出稳定的高性能的聚丙烯腈原丝。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法，其特征是：每级凝固浴均设有自动补水装置，通过调节自动补水装置的补水速度控制每级凝固浴浓度，所述的补水速度基于原理：补加的水等于丝条从凝固浴中净带走的水与将丝条在凝固浴中释放出来的良溶剂稀释至凝固浴浓度所需要的水的总和，即所述的补水速度W_i的计算公式为：

W_{i} = R \cdot b_{0} \cdot [(\frac{c_{i}}{b_{i}} - \frac{c_{i - 1}}{b_{i - 1}}) + X_{i} \cdot (\frac{a_{i - 1}}{b_{i - 1}} - \frac{a_{i}}{b_{i}})]

式中i为自然数，表示各级凝固浴，a₀、b₀、c₀分别表示纺丝液中的良溶剂、PAN和水的质量百分比含量，a_i、b_i、c_i分别表示从第i级凝固浴中出来的离浴丝条中的良溶剂、PAN和水的质量百分比含量，R为纺丝液挤出速度，X_i为第i级凝固浴中水与良溶剂的质量百分含量比值。

作为优选，上述良溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

本发明所采用的聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制装置中，每级凝固浴包括凝固槽和牵伸机，还包括浴液循环装置和自动补水装置，所述的浴液循环装置包括浴液储槽、循环泵和循环管路，浴液从凝固槽的溢流口流出，经循环管路流入浴液储槽，再通过循环泵打入到凝固槽；所述的自动补水装置包括高位水箱、控制阀和流量计，水从高位水箱的出口流出后，分别经过控制阀和流量计以稳定的补水速度进入浴液储槽，所述的补水速度W_i的计算公式为：

W_{i} = R \cdot b_{0} \cdot [(\frac{c_{i}}{b_{i}} - \frac{c_{i - 1}}{b_{i - 1}}) + X_{i} \cdot (\frac{a_{i - 1}}{b_{i - 1}} - \frac{a_{i}}{b_{i}})]

作为优选，高位水箱内设有浮球阀控制高位水箱的液面位置。

作为优选，高位水箱设有与外界相通的气孔，通过气孔使高位水箱内保持正常的大气压力。

与现有技术相比，本发明聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法及装置具有操作方便、设备简单的优点，克服了人工间歇补水所带来的操作误差，能够实现对每级凝固浴浓度的精确控制，从而有利于生产出稳定的高性能的聚丙烯腈原丝。

附图说明

图1为本发明聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制装置结构示意图；

图2为实施例中凝固浴浓度监测结果。

具体实施方式

下面结合附图实施例，对本发明作进一步详细说明。

附图标记为：凝固槽1、牵伸机2、循环管路3、浴液储槽4、循环泵5、高位水箱6、浮球阀7、气孔8、控制阀9、流量计10。

如图1所示，聚丙烯腈纺丝液经喷丝孔以细流的形态流出后，依次经过三个凝固槽1和三组牵伸机2，逐步完成双扩散。各凝固槽1内的浴液从溢流口流出后，经循环管路3流入到浴液储槽4内，再通过循环泵5打入到凝固槽1，从而实现循环。高位水箱6内装有一定体积的去离子水，高位水箱6直接与制水系统相连，通过浮球阀7控制高位水箱6内的液面位置，通过与外界相通的气孔8使高位水箱6内保持正常的大气压力。高位水箱6内的去离子水从出口自行流出后，分别经过控制阀9和流量计10进入浴液储槽4内，实现对凝固浴进行连续自动补水。各级凝固浴的补水速度(W_i)由下列公式确定：

W_{i} = R \cdot b_{0} \cdot [(\frac{c_{i}}{b_{i}} - \frac{c_{i - 1}}{b_{i - 1}}) + X_{i} \cdot (\frac{a_{i - 1}}{b_{i - 1}} - \frac{a_{i}}{b_{i}})]

式中i为自然数，表示各级凝固浴，a₀、b₀、c₀分别表示聚丙烯腈纺丝液中的良溶剂、PAN和水的质量百分比含量，a_i、b_i、c_i分别表示从第i级凝固浴中出来的离浴丝条中的良溶剂、PAN和水的质量百分比含量，R为聚丙烯腈纺丝液的挤出速度，X_i为第i级凝固浴中水与良溶剂的质量百分含量比值。

聚丙烯腈纺丝液的挤出速度由计量泵控制，聚丙烯腈纺丝液和离浴丝条中的良溶剂含量和PAN含量分别由气相色谱法和称重法测定，聚丙烯腈纺丝液和离浴丝条中的水含量由差减法求得。

实施例1：

采用二甲基亚砜(DMSO)溶液聚合法制得PAN溶液，再经脱单、脱泡后得到PAN纺丝液，经测定，该PAN纺丝液中DMSO、PAN和水的质量百分比含量分别为79.6％、20.1％和0.3％。PAN纺丝液的挤出速度为65.1g/min。三级凝固浴的浓度，即DMSO的质量百分比含量分别为68％、40％和15％。从三组牵伸机上取下凝固丝条，称取一定重量的丝条，将其浸泡在大量去离子水中，将丝条中的DMSO完全萃取出来，采用气相色谱仪测定其含量，然后将该丝条在110℃下烘干，称重后即可得到PAN的含量，最后采用差减法计算得到水的含量。从第一级凝固浴中出来的离浴丝条中的DMSO、PAN和水的质量百分比含量分别为：46.0％、28.4％和25.6％，从第二级凝固浴中出来的离浴丝条中的DMSO、PAN和水的质量百分比含量分别为：36.8％、26.5％和36.7％，从第三级凝固浴中出来的离浴丝条中的DMSO、PAN和水的质量百分比含量分别为：22.8％、25.1％和52.1％。采用本发明提供的公式计算出各级凝固浴的补水速度分别为：1.56L/h、0.65L/h和2.68L/h。将各个流量计中去离子水的流速分别调至计算值，向浴液储槽进行补水。

在纺丝过程中，采用阿贝折光仪每隔1小时测定凝固浴的折光指数，以监测其浓度的变化。图2为本实施例中凝固浴浓度的监测结果。从图中可以看出，三级凝固浴的浓度都控制得非常稳定。由此可见本发明所提出的方法和装置可以有效地实现对凝固浴浓度的稳定控制。

虽然上述文字对本发明的具体实施方式进行了描述，但必须指出的是，本发明所包含的内容并不局限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以作各种修改、替换和变化，这些等价形式同样属于本发明权利要求书的限定范围。

Claims

1.聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法，其特征是：每级凝固浴均设有自动补水装置，通过调节自动补水装置的补水速度控制每级凝固浴浓度，所述的补水速度W_i的计算公式为：

W_{i} = R \cdot b_{0} \cdot [(\frac{c_{i}}{b_{i}} - \frac{c_{i - 1}}{b_{i - 1}}) + X_{i} \cdot (\frac{a_{i - 1}}{b_{i - 1}} - \frac{a_{i}}{b_{i}})]

2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制方法，其特征是：所述的良溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

3.聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制装置，每级凝固浴包括凝固槽(1)和牵伸机(2)，其特征是：每级凝固浴还包括浴液循环装置和自动补水装置，所述的浴液循环装置包括浴液储槽(4)、循环泵(5)和循环管路(3)，浴液从凝固槽(1)的溢流口流出，经循环管路(3)流入浴液储槽(4)，再通过循环泵(5)打入到凝固槽(1)；所述的自动补水装置包括高位水箱(6)、控制阀(9)和流量计(10)，水从高位水箱(6)的出口流出后，分别经过控制阀(9)和流量计(10)以稳定的补水速度进入浴液储槽(4)，所述的补水速度W_i的计算公式为：

W_{i} = R \cdot b_{0} \cdot [(\frac{c_{i}}{b_{i}} - \frac{c_{i - 1}}{b_{i - 1}}) + X_{i} \cdot (\frac{a_{i - 1}}{b_{i - 1}} - \frac{a_{i}}{b_{i}})]

4.根据权利要求3所述的聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制装置，其特征是：所述的高位水箱(6)内设有浮球阀(6)控制高位水箱(6)的液面位置。

5.根据权利要求3或4所述的聚丙烯腈原丝纺丝的多级凝固浴浓度控制装置，其特征是：所述的高位水箱(6)设有与外界相通的气孔(8)，通过气孔(8)使高位水箱(6)内保持正常的大气压力。