CN103710777B - 连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，主要解决现有技术存在间歇生产效率低、设备投资高的问题。本发明通过采用依次包括以下步骤：a）连续地将聚丙烯腈粉末和溶剂Ⅰ加入到混合釜中，得到分散淤浆；b）连续地将分散淤浆和溶剂Ⅱ加入到溶解器中，得到粗原液；c）粗原液经压滤、过滤精制后，连续地得到聚丙烯腈基碳纤维原液的技术方案较好地解决了该问题，可用于连续制备聚丙烯腈基碳纤维原液的工业生产中。

Description

连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法
技术领域
本发明涉及一种连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法。
背景技术
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维是20世纪60年代发展起来的新型材料，因其具有质量轻、比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗疲劳、导电、导热等优异性能，被广泛应用于卫星、运载火箭、战术导弹、宇宙飞船等军工行业，已成为航天航空工业中不可缺少的材料。
文献CN200710056346.3公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，以过硫酸铵-亚硫酸铵或亚硫酸氢铵为引发体系的水相悬浮共聚制备聚丙烯腈基碳纤维原丝，用分子量为8～10万的聚合物为原料，在-18～0℃用二甲基乙酰胺作为溶剂制成含固量16～20wt％淤浆，并抽真空至40～95KPA，在40～55℃时溶解1～2小时，制成纺丝原液。该方法是间歇操作，并且在制备纺丝原液过程中，采用-18～0℃的较低操作温度，需要设置专门冷冻机提供冷量，存在间歇生产效率低、设备投资高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术存在间歇生产效率低、设备投资高的问题，提供一种新的连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法。该方法具有连续生产效率高，设备投资低的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，依次包括以下步骤：
a）连续地将聚丙烯腈粉末和溶剂Ⅰ加入到混合釜中，得到分散淤浆；
b）连续地将分散淤浆和溶剂Ⅱ加入到溶解器中，得到粗原液；
c）粗原液经压滤、过滤精制后，连续地得到聚丙烯腈基碳纤维原液；
其中，溶剂Ⅰ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比为（1～5）：1；
溶剂Ⅱ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅱ与分散淤浆的重量比为（1～5）：1。
上述技术方案中，步骤a）操作温度为T1＝15～95℃，优选范围为20～90℃，更优选范围为25～85℃，最优选范围为30～70℃。步骤b）操作温度为T2=30～99℃，优选范围为35～95℃，更优选范围为40～90℃，最优选范围为60～80℃。溶剂Ⅰ的重量百分比浓度为10～45％，溶剂Ⅱ的重量百分比浓度为35～75％。优选方案为溶剂Ⅰ和溶剂Ⅱ是相同的化合物。溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比优选范围为（1～4）：1，溶剂Ⅱ与淤浆的重量比优选范围为（1～4）：1。
上述技术方案中，优选方案为T2≥T1，更优选方案为（T2-T1）≥10～30℃。这是因为聚丙烯腈粒子含有强极性的氰基，聚合物分子链有平行排列的趋向，形成结晶结构，使溶解性降低。因此，本发明方法，首先聚丙烯腈与溶剂Ⅰ（硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠、硫酸钠等5种溶液之一）先进行低温分散，制成淤浆，使溶剂Ⅰ扩散到聚合体每个颗粒的周围。然后，聚合物分散淤浆与溶剂Ⅱ一起在较高温度下进入溶解基，高温使K+或Na＋离子迅速进入聚合体的晶体结构，与CN-基结合，破坏了聚合物分子之间的联结而溶解，较易形成纺丝原液。
本发明方法采用连续溶解工艺生产纺丝原液。在混合釜内，聚丙烯腈在操作温度15～95℃，操作压力50～75MPa条件下，与溶剂Ⅰ调配成分散淤浆；在溶解器内，分散淤浆在操作温度40～90℃，操作压力50～75MPa条件下，与溶剂Ⅱ溶解制成粗原液；在压滤器和过滤器内，操作温度为50～80℃，操作压力40～75MPa，粗原液进行压滤过程和过滤过程制成纺丝原液。该工艺物料加热所需的热量可充分利用化工厂多余的废蒸汽或废热水，而且不需要冷冻机提供冷量等过程，从而使工作效率从间歇生产的不到50％提高到连续生产的91％以上，设备投资降低10％；因此具有连续生产效率高、设备费用低的特点，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明方法示意图。
图1中，1为混合釜，2为溶解器，3为压滤器，4为过滤器，5为聚丙烯腈，6为溶剂Ⅰ，7为溶剂Ⅱ，8为分散淤浆，9为粗原液，10为初步精制的粗原液，11为聚丙烯腈基碳纤维原液。
图1中，连续地将聚丙烯腈（5）与溶剂Ⅰ（6）送入混合釜（1）混合并调配成分散淤浆（8），连续地分散淤浆再与溶剂Ⅱ（6）送入溶解器（2）溶解为粗原液（9），然后粗原液进入压滤器（3）得到初步精制的粗原液（10），最后经过过滤器（4）过滤精制生成聚丙烯腈基碳纤维原液（11）送出。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
按图1的工艺流程，连续地将聚丙烯腈物料与浓度为20％的硫氰酸钾物料送入混合釜混合，调配成分散淤浆，再与浓度60％硫氰酸钾物料混合送入溶解器2溶解为粗原液，然后进入压滤器3使粗原液得到初步精制，最后经过过滤器4过滤精制生成纺丝原液送出。年操作时间从间歇操作的5300小时提高到现在的8000小时。
混合釜1的操作压力为60KPa，操作温度为30℃；溶解器2的操作压力为60KPa，操作温度为70℃；压滤器3的操作压力为60KPa，操作温度为60℃；过滤器4的操作压力为50KPa，操作温度为60℃。原料以及各单元组份的重量百分比组成见表1。
表1
此外，整个过程不需要冷冻机提供冷量，也不需要抽真空设备，设备费用低。
【实施例2】
按【实施例1】的工艺流程和操作条件，只是溶剂Ⅰ和溶剂Ⅱ改为硫代硫酸钠溶液，溶剂Ⅰ的浓度为25％，溶剂Ⅱ的浓度为50％。
混合釜1的操作压力为60KPa，操作温度为30℃；溶解器2的操作压力为60KPa，操作温度为70℃；压滤器3的操作压力为60KPa，操作温度为60℃；过滤器4的操作压力为50KPa，操作温度为60℃。
年操作时间从间歇操作的5300小时提高到现在的8000小时。
原料以及各单元组份的重量百分比组成见表2。
表2
此外，整个过程不需要冷冻机提供冷量，也不需要抽真空设备，设备费用低。
【实施例3】
按【实施例2】的工艺流程，只是混合釜1，溶解器2，压滤器3和过滤器4操作条件改变。
混合釜1的操作压力为65KPa，操作温度为35℃；溶解器2的操作压力为65KPa，操作温度为75℃；压滤器3的操作压力为65KPa，操作温度为65℃；过滤器4的操作压力为55KPa，操作温度为65℃。
年操作时间从间歇操作的5300小时提高到现在的8000小时。
此外，整个过程不需要冷冻机提供冷量，也不需要抽真空设备，设备费用低。

Claims (4)

1.一种连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，依次包括以下步骤：
a)连续地将聚丙烯腈粉末和溶剂Ⅰ加入到混合釜中，得到分散淤浆；
b)连续地将分散淤浆和溶剂Ⅱ加入到溶解器中，得到粗原液；
c)粗原液经压滤、过滤精制后，连续地得到聚丙烯腈基碳纤维原液；
其中，溶剂Ⅰ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比为(1～5)：1；
溶剂Ⅱ选自硫氰酸钾、硫氰酸钠、硫代硫酸钠、氯酸钠或硫酸钠中的至少一种，溶剂Ⅱ与分散淤浆的重量比为(1～5)：1；
步骤a)操作温度为T1＝30～35℃，步骤b)操作温度为T2＝70～75℃。
2.根据权利要求1所述的连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，其特征在于溶剂Ⅰ的重量百分比浓度为10～45％，溶剂Ⅱ的重量百分比浓度为35～75％。
3.根据权利要求1所述的连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，其特征在于溶剂Ⅰ和溶剂Ⅱ是相同的化合物。
4.根据权利要求1所述的连续生产聚丙烯腈基碳纤维原液的方法，其特征在于溶剂Ⅰ与聚丙烯腈粉末的重量比为(1～4)：1，溶剂Ⅱ与分散淤浆的重量比为(1～4)：1。
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