CN102758272B - 一种聚丙烯腈基碳纤维的高效制备方法 - Google Patents
一种聚丙烯腈基碳纤维的高效制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种聚丙烯腈基碳纤维的高效制备方法，属于碳纤维的制备技术领域。特点在于，减少聚丙烯腈溶液纺丝过程的工艺环节，即采用单道牵伸，取消100℃以上的高温牵伸工艺，控制牵伸温度为80℃—100℃，牵伸倍数在3.0—8.0范围内，干燥致密化和热定型同步完成；后续热处理过程采用正常预氧化、碳化工艺，在不改变碳纤维性能的前提下，实现碳纤维低成本生产的目的。本发明制备方法简单，生产时间减少，生产成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维的高效制备方法，具体是改变原丝制备过程中的牵伸条件以达到控制生产成本的目的，属于碳纤维的制备技术领域。
背景技术
聚丙烯腈基碳纤维是指纤维经过一系列高温热处理后得到的含碳量高于92%的纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、尺寸稳定性好等一系列优异性能，属于典型的高性能碳纤维。碳纤维的制备过程主要包括原丝制备、预氧化和碳化，由于原丝的性能直接影响后续碳纤维的性能，所以说原丝制备工艺的优化是制备高性能碳纤维的关键。目前聚丙烯腈原丝的制备主要通过多次牵伸，以使纤维达到所需纤度及聚集态结构。但这增加了工艺的复杂性，提高了纺丝成本，所以在保证纤维力学性能的同时，优化原丝制备工艺，控制纺丝过程中的牵伸条件，就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效制备聚丙烯腈基碳纤维的方法，其特点在于，减少聚丙烯腈溶液纺丝过程的工艺环节，即采用单道牵伸，取消100℃以上的高温牵伸工艺，干燥致密化和热定型同步完成，后续热处理过程采用正常预氧化、碳化工艺，在不改变碳纤维性能的前提下，实现碳纤维低成本生产的目的。
一种高效制备聚丙烯腈基碳纤维的方法，包括以下步骤：(1)原丝制备
①凝固过程：由聚丙烯腈纺丝原液转变为丝条状丝束的过程，最终生产凝胶结构的丝条，凝固浴为质量浓度60%-75%的二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度控制在25℃—55℃，控制纤维截面形貌以圆形为优。
②牵伸过程：纤维纤度以及聚集态结构发生变化的过程。采用单道牵伸，牵伸温度为80℃—100℃，牵伸倍数在3.0—8.0范围内。
③水洗过程：去除残留在丝条中溶剂的过程。控制水洗温度在60℃—90℃之间。
④干燥致密化过程：丝条脱除水分、孔洞收缩，达到致密化效果的过程，并实现其与热定型同步完成。控制干燥温度为90℃—130℃。
⑵预氧化和碳化：先预氧化，然后进行低温碳化和高温碳化；
预氧化采用二至六温区梯度升温，温度范围控制在200℃—275℃，通入空气，每一温区停留时间为7min—30min；
低温碳化采用三至七段式梯度升温，其温度控制在300℃—900℃范围内，高温碳化采用二至五段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃，在氮气环境下进行热处理，最终获得碳纤维。
上述步骤（1）中牵伸过程优选：牵伸倍数在4.0—7.0倍范围内。
上述制备方法的关键点在于，减少纺丝过程的工艺环节，即采用单道牵伸，缩减100℃以上的高温牵伸工艺，干燥致密化和热定型同步完成，在不改变碳纤维性能的前提下，实现碳纤维低成本生产的目的。而其他工序步骤为本领域的常规步骤。
本发明制备方法简单，通过减少纺丝过程的工艺环节，使其生产时间减少，生产成本降低，同时碳纤维的性能与现有工艺生产的碳纤维性能相当。
具体实施方式
本发明对不同牵伸次数的碳纤维进行力学性能测试。下面通过实施例对本发明进行具体描述，但本发明不限于以下实施例。在现有的聚丙烯腈基碳纤维的制备方法基础上，减少纺丝过程的工艺环节，即采用单道牵伸，缩减100℃以上的高温牵伸工艺，干燥致密化和热定型同步完成，在不改变碳纤维性能的前提下，实现碳纤维低成本生产的目的。而其他工序步骤为本领域的常规步骤。
对比例1
采用常规纺丝工艺：凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，质量浓度65%；在100℃温度下进行牵伸，牵伸倍数为3.0；水洗温度为60℃—90℃；经过110℃热辊干燥后，再在140℃过饱和蒸汽下进行1.8倍牵伸，热定型温度为150℃，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为3.54GPa。
实施例1
凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，质量浓度65%；在95℃温度下进行4.0倍牵伸；水洗温度为60℃—90℃；在110℃下进行热辊干燥、热定型后，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为3.51GPa。
实施例2
凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，浓度65%；在98℃温度下进行5.0倍牵伸；水洗温度为60℃-90℃；在110℃下进行热辊干燥、热定型后，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为3.56GPa。
实施例3
凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，浓度65%；在100℃温度下进行5.5倍牵伸；水洗温度为60℃—90℃；在110℃下进行热辊干燥、热定型后，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为3.87GPa。
实施例4
凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，浓度65%；在100℃温度下进行6.0倍牵伸；水洗温度为60℃—90℃；在110℃下进行热辊干燥、热定型后，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为3.74GPa。
实施例5
凝固浴温度45℃，凝固浴为二甲基亚砜水溶液，浓度65%；在100℃温度下进行7.0倍牵伸；水洗温度为60℃-90℃；在110℃下进行热辊干燥、热定型后，制得PAN原丝。
预氧化采用六温区梯度升温，温度从200℃升温至265℃，每一温区停留时间约15min，控制合适张力；低温碳化采用三段式梯度升温，其温度分别为350℃、450℃、680℃，高温碳化采用两段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃。1K碳纤维拉伸强度为4.02GPa。
Claims (3)
1.一种高效制备聚丙烯腈基碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴原丝制备
①凝固过程：由聚丙烯腈纺丝原液转变为丝条状丝束的过程，最终生产凝胶结构的丝条，凝固浴为质量浓度60%—75%的二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度控制在25℃—55℃；
②牵伸过程：采用单道牵伸，牵伸温度为80℃—100℃，牵伸倍数在4.0—8.0范围内；
③水洗过程：控制水洗温度在60℃—90℃之间；
④干燥致密化过程：与热定型过程同步完成，控制干燥温度为90℃—130℃；
⑵预氧化和碳化：先预氧化，然后进行低温碳化和高温碳化；
预氧化采用二至六温区梯度升温，温度范围控制在200℃—275℃，通入空气，每一温区停留时间为7min—30min；
低温碳化采用三至七段式梯度升温，其温度控制在300℃—900℃范围内，高温碳化采用二至五段式梯度升温，温度范围控制在1200℃—1400℃，在氮气环境下进行热处理，最终获得碳纤维。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，凝固过程控制纤维截面形貌为圆形。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，牵伸过程中牵伸倍数为4.0—7.0倍。
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