CN102605475A - 碳纤维芯棒生产工艺及关键设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维芯棒生产工艺及关键设备，涉及碳纤维棒生产工艺及生产用设备。它是在以二甲基亚砜(DMsO)为溶剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂、高转化率(95)连续溶液聚台、湿法纺丝生产腈纶的工艺路线基础上改进而成.所用共聚单体为：丙烯腈、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(ITA)；具体过程是：(一)聚合工艺控制；(二)纺丝工艺控制。本发明可以利用二甲基亚砜一步法(高转化)，湿法纺丝生产高强碳纤维用聚丙烯腈原丝工艺具有流程简单合理、易于控制、原液稳定性好、转化率高(95)、聚合物分子量较高且分布不宽(分布指数2.3)等特点，用该工艺生产的聚丙烯腈原丝完全符合高强碳纤维生产的需求。

Description

碳纤维芯棒生产工艺及关键设备

技术领域

本发明涉及碳纤维棒生产工艺及生产用设备。

背景技术

碳纤维是当今世界极其重要的新型材料之一，其生产的关键是其原丝的生产。高强型碳纤维以日本东丽公司商品牌号为T-1000的聚丙烯腈碳纤维为代表，其抗拉强度高达7050MPa、抗拉模量259GPa、断裂伸长2.4；高模型碳纤维以美目Petoca公司生产的Carbn[e HM-85沥青碳纤维为代表，其抗拉模量高达850GPa，接近石墨单晶理论模量1020GPa。我国的碳纤维生产水平远远落后于世界先进水平，且受原丝的制约产量很小。为了改变这种状况，国内有关工厂、科研院校进行了不懈的努力。

但现有的碳纤维生产工艺流程复杂、不易于控制、原液稳定性差、转化率低。

发明内容

本发明提供一种碳纤维芯棒生产工艺及关键设备，本发明解决了现有的碳纤维生产工艺流程复杂、不易于控制、原液稳定性差、转化率低的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：碳纤维芯棒生产工艺及关键设备，是在以二甲基亚砜(DMsO)为溶剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂、高转化率(95)连续溶液聚台、湿法纺丝生产腈纶的工艺路线基础上改进而成.所用共聚单体为：丙烯腈、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(ITA)；具体过程是：

(一)聚合工艺控制

1在聚合反应中.增加引发剂用量，提高反应温度，延长反应时间均使转化率上升，聚合物分子量下降；提高单体浓度可同时提高转化率和聚合物分子量；提高搅拌速度可使聚合物分子量下降铁离子和有机杂质均会导致转化率和聚合物分子量的下降，甚至使聚合反应无法进行，因而必须尽量降低其含量；

2聚合工艺控制

2.1聚合物浓度

在其它条件不变的情况下.提高原液中聚合物浓度可减少原丝上的孔隙数目.提高结构均一性，从而改善原丝及最终碳纤维的抗拉强度、抗拉模量、断裂伸长等；但原液中聚合物浓度太高将使原液粘度变得很高，使原液可纺性变差，严重影响纺丝过程的进行.使原丝和最终碳纤维的外观及抗拉特性变坏；而且原液中聚合物浓度的变化会使原丝直径发生变化.给原丝的稳定化和碳化处理带来不利影响；因此原液中聚台物浓度必须严格控制在一个适宜的范围内；聚台反应中直接影响聚合物浓度的因素是单作浓度和转化率，因而使其稳定的措施就是保持单体浓度和转化率的稳定；

22原液粘度

影响原液牯度的因素主要是原液中的聚台物浓度、聚合物分子量、聚合物组成及原液温度；在实际生产中，原液牯度是根据实际情况调整上述因素来实现的；

a.粘度、聚台物含量均偏低，这说明反应情况不好.转化率偏低；粘度偏低的原因可能是聚合物分子量太小所致.也可能是聚合物含量偏低所致；首先检查引发剂溶液的流量及浓度，对其进行调节；然后根据聚合物分子量的大小调节搅拌速度；

b.粘度偏高、聚合物含量在范围内，说明反应基本正常，粘度高主要是由于聚合物分子量偏高所致；由于亚砜法未采用分子量调节剂.因而靠提高搅拌速度和引发剂用量进行调节；

c.粘度在范围内，聚合物含量偏低，实际上是上述(b)的情况，处理方法同(b)；

2.3聚合物的分子量

随着聚合物分子量的增加，原丝及最终碳纤维结晶完整，取向理想，微孔直径趋小，从而改善了原丝及最终碳纤维的性能，同时原聚台物分子量的变化还会使放热峰温及放热起始温度发生变化；由于分子量太大会使湿法纺丝过程变得难以进行，从而影响原丝及最终碳纤维的性能，因而聚台物分子量不宜太高；放热峰温和放热起始温度的变化会给原丝的稳定化和碳化带来不利影响，因此必须将聚合物的分子量控制在一定范围内；本工艺聚台物的分子量(M)约7.5万，分布指数(，/帆)约2.3；在实际生产中.聚台物分子量的稳定是通过引发剂用量、反应温度、单体浓度、搅拌速度等因素的稳定来实现的；

2.4聚合物单体组成

三种单体在聚合体中的作用是不同的AN是聚合物的主体；MA的作用是降低聚台物中AN分子间引力，抵消氰基的影响，增加大分子的活动性，改善可纺性；ITA的作用是降低氧化环化能，使原丝可以在较低温度下环化、交联；聚合物组成变化时，不仅会使其可纺性发生变化，影响原丝的机械性能，还会使其热性能发生变化，对原丝的氧化与碳化不利因此聚合物的组成必须稳定；本工艺主要靠严格控制单体配比，加强原液的混批来实现；由于本工艺所产原液具有良好的稳定性，存放24h落球粘度仅上升约50s，因而其可进行长达24h的混批，保证原液的均匀；

(二)纺丝工艺控制

1影响纺丝的因素

在一步法原丝生产中，纺丝原液由聚合过程给定，喷丝头一般情况下为一固定因素，因而影响纺丝的因素包括：凝固成形、拉伸水洗、上油、干燥致密化、卷绕工艺过程及纺丝环境；

2纺丝工艺控制

由于在同样的稳定化和碳化条件下碳纤维的特性由原丝决定：，故控制好原丝的纺丝、拉伸工艺对生产出符台碳纤维生产需要的原丝是十分重要的；

2.1凝固成形

纤维凝固成形的过程是纺丝原液细流凝固成纤维的双扩散过程，即溶剂(DMSO)从纺丝原液细流中通过扩散作用进入凝固浴，凝固剂(水)从凝固浴中通过扩散作用进入原液细流内；该过程与凝固浴浓度、温度、循环量及喷丝头拉伸等有关；凝固浴浓度愈低或凝固浴温度愈高，则双扩散过程和凝固速度愈快，初生纤维的结构愈不均一，纤维内部愈易形成孔洞，拉伸时愈容易囡断裂产生毛丝，成品原丝质量愈差；反之，凝固浴浓度愈高或凝固浴温度愈低，愈有利于生产出缺陷少、抗拉特性好的原丝及最终碳纤维；但凝固浴浓度太高或凝固浴温度太低时，双扩散过程很慢，纤维会囡其表面凝固不良而形成并丝，使原丝品质下降原丝中的毛丝、并丝及内部孔洞都会使最终碳纤维产生表面缺陷或内部缺陷，降低其抗拉强度与模量，必须尽力避免；凝固浴浓度和凝固浴温度在一定范围内可以相互调节，但凝固浴温度对凝固速度的影响远大于浓度的影响，所以当浴温过高时，不能用提高浓度的方法来补救；凝固浴循环愈快，温度和浓度的波动就愈小，但循环太快时，浴液流动时对丝柬的}巾击很大，容易使丝断裂形成毛丝，甚至危及纺丝过程的正常进行，因此必须将凝固浴的循环控制在一定范围内；

在凝固浴浓度、温度等参数确定的情况下，丝束能否充分凝固取决于停留时间；为了获得高质量的原丝，就需要采用较缓和的凝固速度，但要降低凝固速度就必须提高丝束在凝固浴中的停留时间；在生产实践中，由于浸长是固定不变的，只能靠喷丝头的负拉伸来提高丝束在凝固浴中的停留时间，但喷丝头负拉伸不宜太大，否则会引起凝固速度不一致，使纤维结构不均一而降低原丝的质量喷丝头负拉伸的大小取决于喷丝速度和引丝机卷取罗拉的卷取速度，通过调节他们的速度，使喷丝头负拉伸控制在40～60

2.2拉伸

纺丝过程中直接影响拉伸效果的主要因素有拉伸倍数，拉伸温度和拉伸介质；Moreton的研究表明；原丝的拉伸倍数直接反映了最终碳纤维的抗拉强度和抗拉模量；在一定的拉伸倍数以内，碳纤维的抗拉强度和抗拉模量随着原丝拉伸倍数的提高而提高；但过度的拉伸会使纤维内部产生许多缺陷，导致碳纤维抗拉特性的下降；

不同的拉伸介质对被拉伸纤维的溶胀度不同，对纤维物理性能的影响也不同；在塑性拉伸时，结构单元问的交联点必须具有一定的强度才能达到取向的目的，如果有增塑剂(如DMSO)的存在，大分子问作用力被削弱，拉伸时大分子虽也发生相对位移，但不能使之高度有效的取向，原丝的抗拉强度与取向度不够高，因此在原丝生产中增加了干热拉伸，有效地提高了原丝的抗拉强度与取向度；采用饱和蒸汽拉伸效果可能更好，因条件限制，本工艺未采用；拉伸温度过高或过低，原丝在拉伸过程中易产生毛丝和断丝，影响纺丝操作，并使成品原丝及最终碳纤维的品质下降；

2.3水洗

经过拉伸的丝束含有一定量的DMsO，如果不将其洗掉，不仅会影响原丝的手感，而且原丝在稳定化和碳化处理时会发生单丝问的熔接，致使最终碳纤维抗拉强度等性能下降；因此必须将原丝上的残余DMSO尽可能的洗净，含量控制在0.1以下；影响水洗效果的因素主要是水洗温度和用水量；随着水洗温度的提高，纤维溶胀加剧，有利于丝束上DMsO向水中扩散和水向丝束渗透，达到洗净的目的；但随着水温的增加，热耗及DMSO的损失上升，而且还会恶化生产环境，因而水温不宜过高，一般控制在50’C；随着用水量的增加，洗净效果变好，但水量太大时，一方面凝固浴无法平衡影响成形，另一方面还会增加水耗，因此水量也不宜太大；

2.4上油

影响上油效果的因素主要是油剂的种类和上油率；碳纤维用原丝上油主要有两个目的：一是防止纤维固摩擦产生静电以及调节纤维的摩擦系数，使之既满足柔和平滑的要求，又能适应具有良好集束性的要求，便于原丝顺利进行干燥致密化和卷绕等过程；二是防止原丝在稳定化处理过程中产生毛丝、单丝断裂和单丝间的熔接等，便于生产高品质的碳纤维；因而它对油剂的要求是：不仅要具有良好的拉伸性、抗静电性、集束性等常规长丝油剂所具有的性能，而且还应具有较高的耐热性和热分解产物残留量尽可能低等性能；这是因为耐热性不高的油剂经受不住稳定化期问的加热，满足不了稳定化处理的要求；热分解产物残留在纤维上会使纤维表面产生缺陷，降低最终碳纤维的抗拉特性；油剂在纤维上的附着量最好是0.1％～0.5％(以干纤维为基准)；

2.5干燥致密化

对于圆筒干燥而言，影响干燥致密化的主要因素是干燥温度、时间和张力；原丝干燥有驱除水分和结构致密化两个目的，因此必须在高于初生纤维玻璃化温度的条件下进行；温度愈高，干燥愈快；但温度过高，时间过长会使原丝发黄发脆，结构致密度不良，内在品质下降；一般温度控制在100～150℃；干燥过程中丝束所受张力对成品原丝的取向度及抗拉强度有影响；张力越大，原丝的取向度及抗拉强度越高，但张力太大会使原丝发生单丝断裂或丝束断裂，影响正常操作及成品原丝和最终碳纤维的质量，故张力也应控制得当。

本发明本发明可以利用二甲基亚砜一步法(高转化)，湿法纺丝生产高强碳纤维用聚丙烯腈原丝工艺具有流程简单合理、易于控制、原液稳定性好、转化率高(95)、聚合物分子量较高且分布不宽(分布指数2.3)等特点，用该工艺生产的聚丙烯腈原丝完全符合高强碳纤维生产的需求。

具体实施方式

下面用最佳的实施例对本发明做详细的说明。碳纤维芯棒生产工艺及关键设备，它是在以二甲基亚砜(DMsO)为溶剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂、高转化率(95)连续溶液聚台、湿法纺丝生产腈纶的工艺路线基础上改进而成.所用共聚单体为：丙烯腈、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(ITA)；具体过程是：

(一)聚合工艺控制

1在聚合反应中.增加引发剂用量，提高反应温度，延长反应时间均使转化率上升，聚合物分子量下降；提高单体浓度可同时提高转化率和聚合物分子量；提高搅拌速度可使聚合物分子量下降铁离子和有机杂质均会导致转化率和聚合物分子量的下降，甚至使聚合反应无法进行，因而必须尽量降低其含量；

2聚合工艺控制

2.1聚合物浓度

在其它条件不变的情况下.提高原液中聚合物浓度可减少原丝上的孔隙数目.提高结构均一性，从而改善原丝及最终碳纤维的抗拉强度、抗拉模量、断裂伸长等；但原液中聚合物浓度太高将使原液粘度变得很高，使原液可纺性变差，严重影响纺丝过程的进行.使原丝和最终碳纤维的外观及抗拉特性变坏；而且原液中聚合物浓度的变化会使原丝直径发生变化.给原丝的稳定化和碳化处理带来不利影响；因此原液中聚台物浓度必须严格控制在一个适宜的范围内；聚台反应中直接影响聚合物浓度的因素是单作浓度和转化率，因而使其稳定的措施就是保持单体浓度和转化率的稳定；

22原液粘度

影响原液牯度的因素主要是原液中的聚台物浓度、聚合物分子量、聚合物组成及原液温度；在实际生产中，原液牯度是根据实际情况调整上述因素来实现的；

a.粘度、聚台物含量均偏低，这说明反应情况不好.转化率偏低；粘度偏低的原因可能是聚合物分子量太小所致.也可能是聚合物含量偏低所致；首先检查引发剂溶液的流量及浓度，对其进行调节；然后根据聚合物分子量的大小调节搅拌速度；

b.粘度偏高、聚合物含量在范围内，说明反应基本正常，粘度高主要是由于聚合物分子量偏高所致；由于亚砜法未采用分子量调节剂.因而靠提高搅拌速度和引发剂用量进行调节；

c.粘度在范围内，聚合物含量偏低，实际上是上述(b)的情况，处理方法同(b)；

2.3聚合物的分子量

随着聚合物分子量的增加，原丝及最终碳纤维结晶完整，取向理想，微孔直径趋小，从而改善了原丝及最终碳纤维的性能，同时原聚台物分子量的变化还会使放热峰温及放热起始温度发生变化；由于分子量太大会使湿法纺丝过程变得难以进行，从而影响原丝及最终碳纤维的性能，因而聚台物分子量不宜太高；放热峰温和放热起始温度的变化会给原丝的稳定化和碳化带来不利影响，因此必须将聚合物的分子量控制在一定范围内；本工艺聚台物的分子量(M)约7.5万，分布指数(，/帆)约2.3；在实际生产中.聚台物分子量的稳定是通过引发剂用量、反应温度、单体浓度、搅拌速度等因素的稳定来实现的；

2.4聚合物单体组成

三种单体在聚合体中的作用是不同的AN是聚合物的主体；MA的作用是降低聚台物中AN分子间引力，抵消氰基的影响，增加大分子的活动性，改善可纺性；ITA的作用是降低氧化环化能，使原丝可以在较低温度下环化、交联；聚合物组成变化时，不仅会使其可纺性发生变化，影响原丝的机械性能，还会使其热性能发生变化，对原丝的氧化与碳化不利因此聚合物的组成必须稳定；本工艺主要靠严格控制单体配比，加强原液的混批来实现；由于本工艺所产原液具有良好的稳定性，存放24h落球粘度仅上升约50s，因而其可进行长达24h的混批，保证原液的均匀；

(二)纺丝工艺控制

1影响纺丝的因素

在一步法原丝生产中，纺丝原液由聚合过程给定，喷丝头一般情况下为一固定因素，因而影响纺丝的因素包括：凝固成形、拉伸水洗、上油、干燥致密化、卷绕工艺过程及纺丝环境；

2纺丝工艺控制

由于在同样的稳定化和碳化条件下碳纤维的特性由原丝决定：，故控制好原丝的纺丝、拉伸工艺对生产出符台碳纤维生产需要的原丝是十分重要的；

2.1凝固成形

纤维凝固成形的过程是纺丝原液细流凝固成纤维的双扩散过程，即溶剂(DMSO)从纺丝原液细流中通过扩散作用进入凝固浴，凝固剂(水)从凝固浴中通过扩散作用进入原液细流内；该过程与凝固浴浓度、温度、循环量及喷丝头拉伸等有关；凝固浴浓度愈低或凝固浴温度愈高，则双扩散过程和凝固速度愈快，初生纤维的结构愈不均一，纤维内部愈易形成孔洞，拉伸时愈容易囡断裂产生毛丝，成品原丝质量愈差；反之，凝固浴浓度愈高或凝固浴温度愈低，愈有利于生产出缺陷少、抗拉特性好的原丝及最终碳纤维；但凝固浴浓度太高或凝固浴温度太低时，双扩散过程很慢，纤维会囡其表面凝固不良而形成并丝，使原丝品质下降 原丝中的毛丝、并丝及内部孔洞都会使最终碳纤维产生表面缺陷或内部缺陷，降低其抗拉强度与模量，必须尽力避免；凝固浴浓度和凝固浴温度在一定范围内可以相互调节，但凝固浴温度对凝固速度的影响远大于浓度的影响，所以当浴温过高时，不能用提高浓度的方法来补救；凝固浴循环愈快，温度和浓度的波动就愈小，但循环太快时，浴液流动时对丝柬的}巾击很大，容易使丝断裂形成毛丝，甚至危及纺丝过程的正常进行，因此必须将凝固浴的循环控制在一定范围内；

在凝固浴浓度、温度等参数确定的情况下，丝束能否充分凝固取决于停留时间；为了获得高质量的原丝，就需要采用较缓和的凝固速度，但要降低凝固速度就必须提高丝束在凝固浴中的停留时间；在生产实践中，由于浸长是固定不变的，只能靠喷丝头的负拉伸来提高丝束在凝固浴中的停留时间，但喷丝头负拉伸不宜太大，否则会引起凝固速度不一致，使纤维结构不均一而降低原丝的质量喷丝头负拉伸的大小取决于喷丝速度和引丝机卷取罗拉的卷取速度，通过调节他们的速度，使喷丝头负拉伸控制在40～60

2.2拉伸

纺丝过程中直接影响拉伸效果的主要因素有拉伸倍数，拉伸温度和拉伸介质；Moreton的研究表明；原丝的拉伸倍数直接反映了最终碳纤维的抗拉强度和抗拉模量；在一定的拉伸倍数以内，碳纤维的抗拉强度和抗拉模量随着原丝拉伸倍数的提高而提高；但过度的拉伸会使纤维内部产生许多缺陷，导致碳纤维抗拉特性的下降；

不同的拉伸介质对被拉伸纤维的溶胀度不同，对纤维物理性能的影响也不同；在塑性拉伸时，结构单元问的交联点必须具有一定的强度才能达到取向的目的，如果有增塑剂(如DMSO)的存在，大分子问作用力被削弱，拉伸时大分子虽也发生相对位移，但不能使之高度有效的取向，原丝的抗拉强度与取向度不够高，因此在原丝生产中增加了干热拉伸，有效地提高了原丝的抗拉强度与取向度；采用饱和蒸汽拉伸效果可能更好，因条件限制，本工艺未采用；拉伸温度过高或过低，原丝在拉伸过程中易产生毛丝和断丝，影响纺丝操作，并使成品原丝及最终碳纤维的品质下降；

2.3水洗

经过拉伸的丝束含有一定量的DMsO，如果不将其洗掉，不仅会影响原丝的手感，而且原丝在稳定化和碳化处理时会发生单丝问的熔接，致使最终碳纤维抗拉强度等性能下降；因此必须将原丝上的残余DMSO尽可能的洗净，含量控制在0.1以下；影响水洗效果的因素主要是水洗温度和用水量；随着水洗温度的提高，纤维溶胀加剧，有利于丝束上DMsO向水中扩散和水向丝束渗透，达到洗净的目的；但随着水温的增加，热耗及DMSO的损失上升，而且还会恶化生产环境，因而水温不宜过高，一般控制在50’C；随着用水量的增加，洗净效果变好，但水量太大时，一方面凝固浴无法平衡影响成形，另一方面还会增加水耗，因此水量也不宜太大；

2.4上油

影响上油效果的因素主要是油剂的种类和上油率；碳纤维用原丝上油主要有两个目的：一是防止纤维固摩擦产生静电以及调节纤维的摩擦系数，使之既满足柔和平滑的要求，又能适应具有良好集束性的要求，便于原丝顺利进行干燥致密化和卷绕等过程；二是防止原丝在稳定化处理过程中产生毛丝、单丝断裂和单丝间的熔接等，便于生产高品质的碳纤维；因而它对油剂的要求是：不仅要具有良好的拉伸性、抗静电性、集束性等常规长丝油剂所具有的性能，而且还应具有较高的耐热性和热分解产物残留量尽可能低等性能；这是因为耐热性不高的油剂经受不住稳定化期问的加热，满足不了稳定化处理的要求；热分解产物残留在纤维上会使纤维表面产生缺陷，降低最终碳纤维的抗拉特性；油剂在纤维上的附着量最好是0.1％～0.5％(以干纤维为基准)；

2.5干燥致密化

对于圆筒干燥而言，影响干燥致密化的主要因素是干燥温度、时间和张力；原丝干燥有驱除水分和结构致密化两个目的，因此必须在高于初生纤维玻璃化温度的条件下进行；温度愈高，干燥愈快；但温度过高，时间过长会使原丝发黄发脆，结构致密度不良，内在品质下降；一般温度控制在100～150℃；干燥过程中丝束所受张力对成品原丝的取向度及抗拉强度有影响；张力越大，原丝的取向度及抗拉强度越高，但张力太大会使原丝发生单丝断裂或丝束断裂，影响正常操作及成品原丝和最终碳纤维的质量，故张力也应控制得当。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.碳纤维芯棒生产工艺及关键设备，其特征在于，它是在以二甲基亚砜(DMsO)为溶剂、偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂、高转化率(95连续溶液聚台、湿法纺丝生产腈纶的工艺路线基础上改进而成.所用共聚单体为：丙烯腈、丙烯酸甲酯(MA)、衣康酸(ITA)；具体过程是：

(一)聚合工艺控制

1在聚合反应中.增加引发剂用量，提高反应温度，延长反应时间均使转化率上升，聚合物分子量下降；提高单体浓度可同时提高转化率和聚合物分子量；提高搅拌速度可使聚合物分子量下降铁离子和有机杂质均会导致转化率和聚合物分子量的下降，甚至使聚合反应无法进行，因而必须尽量降低其含量；

2聚合工艺控制

2.1聚合物浓度

在其它条件不变的情况下.提高原液中聚合物浓度可减少原丝上的孔隙数目.提高结构均一性，从而改善原丝及最终碳纤维的抗拉强度、抗拉模量、断裂伸长等；但原液中聚合物浓度太高将使原液粘度变得很高，使原液可纺性变差，严重影响纺丝过程的进行.使原丝和最终碳纤维的外观及抗拉特性变坏；而且原液中聚合物浓度的变化会使原丝直径发生变化.给原丝的稳定化和碳化处理带来不利影响；因此原液中聚台物浓度必须严格控制在一个适宜的范围内；聚台反应中直接影响聚合物浓度的因素是单作浓度和转化率，因而使其稳定的措施就是保持单体浓度和转化率的稳定；

2.2原液粘度

影响原液牯度的因素主要是原液中的聚台物浓度、聚合物分子量、聚合物组成及原液温度；在实际生产中，原液牯度是根据实际情况调整上述因素来实现的；

a.粘度、聚台物含量均偏低，这说明反应情况不好.转化率偏低；粘度偏低的原因可能是聚合物分子量太小所致.也可能是聚合物含量偏低所致；首先检查引发剂溶液的流量及浓度，对其进行调节；然后根据聚合物分子量的大小调节搅拌速度；

b.粘度偏高、聚合物含量在范围内，说明反应基本正常，粘度高主要是由于聚合物分子量偏高所致；由于亚砜法未采用分子量调节剂.因而靠提高搅拌速度和引发剂用量进行调节；

c.粘度在范围内，聚合物含量偏低，实际上是上述(b)的情况，处理方法同(b)；

2.3聚合物的分子量

随着聚合物分子量的增加，原丝及最终碳纤维结晶完整，取向理想，微孔直径趋小，从而改善了原丝及最终碳纤维的性能，同时原聚台物分子量的变化还会使放热峰温及放热起始温度发生变化；由于分子量太大会使湿法纺丝过程变得难以进行，从而影响原丝及最终碳纤维的性能，因而聚台物分子量不宜太高；放热峰温和放热起始温度的变化会给原丝的稳定化和碳化带来不利影响，因此必须将聚合物的分子量控制在一定范围内；本工艺聚台物的分子量(M)约7.5万，分布指数(，/帆)约2.3；在实际生产中.聚台物分子量的稳定是通过引发剂用量、反应温度、单体浓度、搅拌速度等因素的稳定来实现的；

2.4聚合物单体组成

三种单体在聚合体中的作用是不同的AN是聚合物的主体；MA的作用是降低聚台物中AN分子间引力，抵消氰基的影响，增加大分子的活动性，改善可纺性；ITA的作用是降低氧化环化能，使原丝可以在较低温度下环化、交联；聚合物组成变化时，不仅会使其可纺性发生变化，影响原丝的机械性能，还会使其热性能发生变化，对原丝的氧化与碳化不利因此聚合物的组成必须稳定；本工艺主要靠严格控制单体配比，加强原液的混批来实现；由于本工艺所产原液具有良好的稳定性，存放24h落球粘度仅上升约50s，因而其可进行长达24h的混批，保证原液的均匀；

(二)纺丝工艺控制

1影响纺丝的因素

在一步法原丝生产中，纺丝原液由聚合过程给定，喷丝头一般情况下为一固定因素，因而影响纺丝的因素包括：凝固成形、拉伸水洗、上油、干燥致密化、卷绕工艺过程及纺丝环境；

2纺丝工艺控制

由于在同样的稳定化和碳化条件下碳纤维的特性由原丝决定：，故控制好原丝的纺丝、拉伸工艺对生产出符台碳纤维生产需要的原丝是十分重要的；

2.1凝固成形

纤维凝固成形的过程是纺丝原液细流凝固成纤维的双扩散过程，即溶剂(DMSO)从纺丝原液细流中通过扩散作用进入凝固浴，凝固剂(水)从凝固浴中通过扩散作用进入原液细流内；该过程与凝固浴浓度、温度、循环量及喷丝头拉伸等有关；凝固浴浓度愈低或凝固浴温度愈高，则双扩散过程和凝固速度愈快，初生纤维的结构愈不均一，纤维内部愈易形成孔洞，拉伸时愈容易囡断裂产生毛丝，成品原丝质量愈差；反之，凝固浴浓度愈高或凝固浴温度愈低，愈有利于生产出缺陷少、抗拉特性好的原丝及最终碳纤维；但凝固浴浓度太高或凝固浴温度太低时，双扩散过程很慢，纤维会囡其表面凝固不良而形成并丝，使原丝品质下降原丝中的毛丝、并丝及内部孔洞都会使最终碳纤维产生表面缺陷或内部缺陷，降低其抗拉强度与模量，必须尽力避免；凝固浴浓度和凝固浴温度在一定范围内可以相互调节，但凝固浴温度对凝固速度的影响远大于浓度的影响，所以当浴温过高时，不能用提高浓度的方法来补救；凝固浴循环愈快，温度和浓度的波动就愈小，但循环太快时，浴液流动时对丝柬的}巾击很大，容易使丝断裂形成毛丝，甚至危及纺丝过程的正常进行，因此必须将凝固浴的循环控制在一定范围内；

在凝固浴浓度、温度等参数确定的情况下，丝束能否充分凝固取决于停留时间；为了获得高质量的原丝，就需要采用较缓和的凝固速度，但要降低凝固速度就必须提高丝束在凝固浴中的停留时间；在生产实践中，由于浸长是固定不变的，只能靠喷丝头的负拉伸来提高丝束在凝固浴中的停留时间，但喷丝头负拉伸不宜太大，否则会引起凝固速度不一致，使纤维结构不均一而降低原丝的质量喷丝头负拉伸的大小取决于喷丝速度和引丝机卷取罗拉的卷取速度，通过调节他们的速度，使喷丝头负拉伸控制在40～60

2.2拉伸

纺丝过程中直接影响拉伸效果的主要因素有拉伸倍数，拉伸温度和拉伸介质；Moreton的研究表明；原丝的拉伸倍数直接反映了最终碳纤维的抗拉强度和抗拉模量；在一定的拉伸倍数以内，碳纤维的抗拉强度和抗拉模量随着原丝拉伸倍数的提高而提高；但过度的拉伸会使纤维内部产生许多缺陷，导致碳纤维抗拉特性的下降；

不同的拉伸介质对被拉伸纤维的溶胀度不同，对纤维物理性能的影响也不同；在塑性拉伸时，结构单元问的交联点必须具有一定的强度才能达到取向的目的，如果有增塑剂(如DMSO)的存在，大分子问作用力被削弱，拉伸时大分子虽也发生相对位移，但不能使之高度有效的取向，原丝的抗拉强度与取向度不够高，因此在原丝生产中增加了干热拉伸，有效地提高了原丝的抗拉强度与取向度；采用饱和蒸汽拉伸效果可能更好，因条件限制，本工艺未采用；拉伸温度过高或过低，原丝在拉伸过程中易产生毛丝和断丝，影响纺丝操作，并使成品原丝及最终碳纤维的品质下降；

2.3水洗

经过拉伸的丝束含有一定量的DMsO，如果不将其洗掉，不仅会影响原丝的手感，而且原丝在稳定化和碳化处理时会发生单丝问的熔接，致使最终碳纤维抗拉强度等性能下降；因此必须将原丝上的残余DMSO尽可能的洗净，含量控制在0.1以下；影响水洗效果的因素主要是水洗温度和用水量；随着水洗温度的提高，纤维溶胀加剧，有利于丝束上DMsO向水中扩散和水向丝束渗透，达到洗净的目的；但随着水温的增加，热耗及DMSO的损失上升，而且还会恶化生产环境，因而水温不宜过高，一般控制在50’C；随着用水量的增加，洗净效果变好，但水量太大时，一方面凝固浴无法平衡影响成形，另一方面还会增加水耗，因此水量也不宜太大；

2.4上油

影响上油效果的因素主要是油剂的种类和上油率；碳纤维用原丝上油主要有两个目的：一是防止纤维固摩擦产生静电以及调节纤维的摩擦系数，使之既满足柔和平滑的要求，又能适应具有良好集束性的要求，便于原丝顺利进行干燥致密化和卷绕等过程；二是防止原丝在稳定化处理过程中产生毛丝、单丝断裂和单丝间的熔接等，便于生产高品质的碳纤维；因而它对油剂的要求是：不仅要具有良好的拉伸性、抗静电性、集束性等常规长丝油剂所具有的性能，而且还应具有较高的耐热性和热分解产物残留量尽可能低等性能；这是因为耐热性不高的油剂经受不住稳定化期问的加热，满足不了稳定化处理的要求；热分解产物残留在纤维上会使纤维表面产生缺陷，降低最终碳纤维的抗拉特性；油剂在纤维上的附着量最好是0.1％～0.5％(以干纤维为基准)；

2.5干燥致密化

对于圆筒干燥而言，影响干燥致密化的主要因素是干燥温度、时间和张力；原丝干燥有驱除水分和结构致密化两个目的，因此必须在高于初生纤维玻璃化温度的条件下进行；温度愈高，干燥愈快；但温度过高，时间过长会使原丝发黄发脆，结构致密度不良，内在品质下降；一般温度控制在100～150℃；干燥过程中丝束所受张力对成品原丝的取向度及抗拉强度有影响；张力越大，原丝的取向度及抗拉强度越高，但张力太大会使原丝发生单丝断裂或丝束断裂，影响正常操作及成品原丝和最终碳纤维的质量，故张力也应控制得当。