CN102154723B - 无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维原丝技术领域的无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，通过将水或醇类化合物与有机溶剂混合均匀后加入聚丙烯腈树脂，经加温溶胀溶解处理后过滤得到聚丙烯腈纺丝原液；再将聚丙烯腈纺丝原液熟化处理后喷挤后得到初生原丝，将上述初生原丝依次进行水洗拉伸、二级热水拉伸、干燥致密化和饱和蒸汽拉伸，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝。本发明可以在现有的工业化纺丝设备上进行规模化生产，制备无皮芯结构、缺陷少、纤度小、强度高的优质聚丙烯腈基碳纤维原丝，并且可以有效降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种碳纤维原丝技术领域的方法，具体是一种无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法。
背景技术
碳纤维的独特性能使其在航空航天、体育运动、建筑等领域有广泛的应用。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是碳纤维中用途最广泛、发展前景最好的一种。作为聚丙烯腈基碳纤维的前驱体，聚丙烯腈原丝的质量在很大程度上决定了聚丙烯腈基碳纤维的性能。目前，聚丙烯腈原丝通常是用湿法或干湿法纺丝来制备的(中国专利CN101165238A，日本专利JP11-152618)。用这两种传统的纺丝方法制得的原丝具有比较明显的皮芯结构差异，即皮层致密而芯层疏松。皮芯差异的存在使纤维结构不均匀，从而影响原丝的力学性能。
凝胶纺丝也被用于聚丙烯腈原丝的制备，但是已有的凝胶纺丝方法都是采用超高分子量的聚丙烯腈聚合体配制成低浓度的纺丝原液，通过搅拌剪切作用使聚合物分子链解缠结，利用低温凝固浴的冷却作用使纺丝液流在凝固浴中发生凝胶化转变，并利用凝固剂(非溶剂)和丝条内溶剂的双扩散作用使丝条进一步凝固成形。
经过对现有技术的检索发现，美国专利号US4,658,004和US4,659,529报道了聚丙烯腈原丝的凝胶纺丝方法，制得。虽然这样的凝胶纺丝方法使原丝的皮芯结构差异有所减小，并在一定程度上提高了原丝的拉伸性能，但纺丝原液中聚合物含量的降低会导致原丝内部孔洞的增大和增加，不利于原丝综合性能的提高。另外，需要使用低温凝固浴，能耗较高，不利于生产成本的降低。因此，如何设计和改进纺丝工艺，以获得无皮芯结构、表里结构均一、缺陷少、强度高的聚丙烯腈基碳纤维原丝，是亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，可以在现有的工业化纺丝设备上进行规模化生产，制备无皮芯结构、缺陷少、纤度小、强度高的优质聚丙烯腈基碳纤维原丝，并且可以有效降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
步骤1、将水或醇类化合物与有机溶剂混合均匀后加入聚丙烯腈树脂，经加温溶胀溶解处理后过滤得到聚丙烯腈纺丝原液；
所述的加温溶胀溶解处理是指：在40～60℃的温度下匀速搅拌2～5小时后，再将温度升至65～85℃并继续搅拌3～8小时。
所述的过滤是指将加温溶胀溶解处理后的混合液过滤后在65～85℃下静置脱泡后制得聚丙烯腈纺丝原液；
所述的聚丙烯腈树脂的粘均分子量为60000～150000且分子量分布为2.0～2.8；
所述的醇类化合物为乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇中的一种或其组合；
所述的有机溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的一种或其组合；
所述的有机溶剂与水或醇类化合物的质量比为99.8∶0.2～90∶10，聚丙烯腈树脂与有机溶剂的质量比为2～50∶1；
所述的聚丙烯腈纺丝原液在65～85℃下的表观粘度为35～60Pa·s；
步骤2、将聚丙烯腈纺丝原液熟化处理后喷挤后得到初生原丝，将上述初生原丝依次进行水洗拉伸、二级热水拉伸、干燥致密化和饱和蒸汽拉伸，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝。
所述的熟化处理是指：在20～40℃的恒温干燥环境中持续2～20小时；
所述的经过熟化的纺丝原液在20～40℃下的表观粘度为130～220Pa·s；
所述的喷挤，采用双螺杆挤出机且与熟化处理的相同的温度从喷丝头挤出，在室温下冷却后进入萃取浴凝固成形，经卷绕得到初生原丝；
所述的喷丝头的喷挤速度与卷绕速度的比值为1∶14～3；
所述的冷却是指：使喷丝头挤出长度为0.5～5cm的空气段在室温下冷却；
所述的萃取所采用的萃取剂为甲醇、乙醇、丙醇，异丙醇或乙二醇中的一种或其组合；
所述的水洗拉伸的温度为30～60℃，拉伸倍数为1.2～1.8倍；
所述的二级热水拉伸的温度分别为70～85℃和90～99℃，拉伸倍数分别为1.5～2.5倍和1.5～2.5倍；
所述的干热空气温度为110～140℃；饱和水蒸气拉伸温度为120～170℃，拉伸倍数为1.5～3倍；
所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝的后拉伸倍数为4.5～35。
本发明在制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的过程中，引入了“恒温熟化”这一步骤，使纺丝原液在纺丝之前就已发生热致凝胶化转变而形成较为稳定的网络结构，可以承受高倍的喷丝头拉伸。纺丝时采用萃取浴取代传统的凝固浴，避免了溶剂与非溶剂的双扩散和原液由表及里的凝固过程，使丝条表里均匀凝固，有效消除了皮芯结构，减少了缺陷，并通过多级高倍后拉伸达到制备纤度小、取向高、强度高的聚丙烯腈基碳纤维原丝的目的。
与现有技术相比，本发明引入“恒温熟化”过程，使纺丝原液在挤出成形之前发生凝胶化转变而具有均匀的三维网络结构，但仍保持一定的流动性，有利于喷丝头拉伸倍数的提高，也有利于减小或消除原丝皮芯结构的差异；在纺丝原液中引入非溶剂水或醇类化合物，可提高原液的凝胶化转变温度，使恒温熟化过程在较高的温度下进行，有利于降低能耗、降低生产成本；采用双螺杆挤出机进行纺丝，利用双螺杆的强剪切作用和高挤出压力，可以保证高粘度纺丝原液连续、均匀的挤出，有利于制备结构均匀的原丝，提高生产效率；采用萃取浴使原液凝固成形，萃取浴中不存在溶剂和非溶剂的双扩散作用，而是依靠低温萃取剂使经过熟化的原液进一步凝固，可制得无皮芯结构、缺陷少的聚丙烯腈原丝；采用多级高倍后拉伸可以制得纤度小、高取向、高强度的聚丙烯腈原丝；本发明可以在现有的工业化纺丝设备上进行规模化生产。
附图说明
图1为实施例聚丙烯腈基碳纤维原丝示意图；
其中：a为表面形貌示意图，b为断面形貌示意图。
图2为熟化后纺丝原液示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
在含水5％(基于二甲基亚砜和水总质量的百分数)的二甲基亚砜/水混合溶剂中加入21％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在70℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在70℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化3小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过3cm的空气段后进入温度为25℃的甲醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为10。将初生原丝在40℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在80℃和95℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在130℃的干热空气中干燥致密化，在150℃的饱和水蒸气中拉伸2倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为7.89±0.12cN/dtex，单丝平均纤度为1.38dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例2
在含水1％(基于二甲基乙酰胺和水总质量的百分数)的二甲基乙酰胺/水混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在75℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在75℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化2小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过3cm的空气段后进入温度为25℃的甲醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为10。将初生原丝在40℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在80℃和95℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在130℃的干热空气中干燥致密化，在150℃的饱和水蒸气中拉伸2.5倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.15±0.18cN/dtex，单丝平均纤度为1.30dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例3
在含水5％(基于二甲基亚砜和水总质量的百分数)的二甲基亚砜/水混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在80℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在80℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化2小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过3cm的空气段后进入温度为20℃、甲醇的质量百分含量为80％的甲醇/乙醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为12。将初生原丝在40℃水洗浴中水洗并拉伸1.8倍，依次在85℃和95℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在130℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸3倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.63±0.20cN/dtex，单丝平均纤度为1.18dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例4
在含水6％(基于二甲基甲酰胺和水总质量的百分数)的二甲基甲酰胺/水混合溶剂中加入22％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在75℃下搅拌4小时，使其充分溶解后在75℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化4小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为20℃、甲醇的质量百分含量为80％的甲醇/乙醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为10。将初生原丝在40℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在80℃和95℃的热水中拉伸2倍和2.3倍，然后在130℃的干热空气中干燥致密化，在150℃的饱和水蒸气中拉伸2倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.02±0.31cN/dtex，单丝平均纤度为1.47dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例5
在含乙醇8％(基于二甲基亚砜和乙醇总质量的百分数)的二甲基甲亚砜/乙醇混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在70℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在70℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化4小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为25℃的甲醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为11。将初生原丝在50℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在80℃和98℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在140℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸2倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.11±0.26cN/dtex，单丝平均纤度为1.34dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例6
在含异丙醇6％(基于二甲基甲酰胺和异丙醇总质量的百分数)的二甲基甲酰胺/异丙醇混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌2.5小时，使其分散并溶胀，在70℃下搅拌4小时，使其充分溶解后在70℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化5小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为25℃的甲醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为10。将初生原丝在40℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在85℃和98℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在130℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸2.2倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.25±0.25cN/dtex，单丝平均纤度为1.32dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例7
在含乙醇4％(基于二甲基乙酰胺和乙醇总质量的百分数)的二甲基乙酰胺/乙醇混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为78000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在80℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在80℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化4小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过3cm的空气段后进入温度为20℃、甲醇的质量百分含量为70％的甲醇/乙醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为9。将初生原丝在50℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在80℃和98℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在140℃的干热空气中干燥致密化，在150℃的饱和水蒸气中拉伸1.8倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为7.70±0.19cN/dtex，单丝平均纤度为1.52dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例8
在含水3％(基于二甲基亚砜和水总质量的百分数)的二甲基亚砜/水混合溶剂中加入21％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为105000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在80℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在80℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化5小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为20℃、甲醇的质量百分含量为70％的甲醇/丙醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为10。将初生原丝在50℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在85℃和98℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在140℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸2.2倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.20±0.24cN/dtex，单丝平均纤度为1.35dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例9
在含水3％(基于二甲基甲酰胺和水总质量的百分数)的二甲基甲酰胺/水混合溶剂中加入22％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为105000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在80℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在80℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化5小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为25℃的甲醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为12。将初生原丝在50℃水洗浴中水洗并拉伸1.5倍，依次在85℃和98℃的热水中拉伸2.2倍和2.5倍，然后在140℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸2.5倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.45±0.30cN/dtex，单丝平均纤度为1.25dtex的聚丙烯腈原丝。
实施例10
在含乙醇6％(基于二甲基亚砜和水总质量的百分数)的二甲基亚砜/乙醇混合溶剂中加入23％(基于三种物质总和的质量百分数)的粘均分子量为105000的聚丙烯腈树脂，在50℃的温度下匀速搅拌3小时，使其分散并溶胀，在80℃下搅拌5小时，使其充分溶解后在80℃下静置脱泡，置于25℃的干燥环境中恒温熟化4.5小时，在双螺杆挤出机上经喷丝头挤出，经过2cm的空气段后进入温度为20℃、甲醇的质量百分含量为70％的甲醇/乙醇萃取浴凝固成形，控制卷绕辊的卷绕速度与原液挤出速度之比为11。将初生原丝在50℃水洗浴中水洗并拉伸1.8倍，依次在85℃和98℃的热水中拉伸2倍和2.5倍，然后在140℃的干热空气中干燥致密化，在160℃的饱和水蒸气中拉伸2.5倍，最后用去离子水洗涤并干燥至恒重，得到拉伸强度为8.47±0.27cN/dtex，单丝平均纤度为1.19dtex的聚丙烯腈原丝。
Claims (5)
1.一种无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将水或醇类化合物与有机溶剂混合均匀后加入聚丙烯腈树脂，经加温溶胀溶解处理后过滤得到聚丙烯腈纺丝原液；
步骤2、将聚丙烯腈纺丝原液熟化处理后喷挤后得到初生原丝，将上述初生原丝依次进行水洗拉伸、二级热水拉伸、干燥致密化和饱和蒸汽拉伸，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝；
所述的加温溶胀溶解处理是指：在40～60℃的温度下匀速搅拌2～5小时后，再将温度升至65～85℃并继续搅拌3～8小时；
所述的过滤是指将加温溶胀溶解处理后的混合液过滤后在65～85℃下静置脱泡后制得聚丙烯腈纺丝原液；
步骤1中所述的有机溶剂与水或醇类化合物的质量比为99.8:0.2～90:10，聚丙烯腈树脂与有机溶剂的质量比为2～50:l。
2.根据权利要求1所述的无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征是，所述的熟化处理是指：在20～40℃的恒温干燥环境中持续2～20小时。
3.根据权利要求1所述的无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征是，所述的喷挤，采用双螺杆挤出机且与熟化处理的相同的温度从喷丝头挤出，在室温下冷却后进入萃取浴凝固成形，经卷绕得到初生原丝。
4.根据权利要求3所述的无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征是，所述的喷丝头的喷挤速度与卷绕速度的比值为1:14～3。
5.根据权利要求1所述的无皮芯结构聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，其特征是，步骤2中所述的水洗拉伸的温度为30～60℃，拉伸倍数为1.2～1.8倍；二级热水拉伸的温度分别为70～85℃和90～99℃，拉伸倍数分别为1.5～2.5倍和1.5～2.5倍；干热空气温度为110～140℃；饱和水蒸气拉伸温度为120～170℃，拉伸倍数为1.5～3倍。
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