CN105063807A - 一种高强中模碳纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强中模碳纤维的制备方法，包括以下步骤：一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；二、纺丝，得到丝束；三、水洗；四、进行两段热水牵伸；五、依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理；六、进行蒸汽牵伸和蒸汽定型，然后将蒸汽定型后的丝束收卷，得到原丝；七、将原丝依次进行预氧化处理、低温碳化处理和高温碳化处理，最终得到高强中模碳纤维。本发明制备的碳纤维的拉伸强度高达5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量高达298GPa～301GPa，属于高强中模范畴，具有广泛的应用前景。

Description

一种高强中模碳纤维的制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高强中模碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维不仅是尖端国防工业无可替代的战略基础材料，也是民用工业更新换代的新型材料。由于碳纤维具有轻质、高强、高模、导热、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、低膨胀等综合优异性能，是理想的耐烧蚀功能复合材料和结构复合材料的组元。碳纤维在卫星、运载火箭、宇宙飞船、民用飞机等航空航天高技术尖端领域发挥着越来越重要的作用。近年来，高速轨道交通、深海油田、新型能源、建筑等产业也开始大量应用碳纤维。

为了制备出高拉伸强度的碳纤维，良好的原丝工艺是必不可少的。良好的纺丝工艺通过匹配纺丝过程中凝固浴的温度、浓度，各牵伸段的牵伸拉伸强度以及干燥温度，较好的消除了原丝中的孔洞，提高原丝的致密程度、原丝取向度和原丝拉伸强度。只有这种拉伸强度适中、结构致密的原丝才能碳化出高拉伸强度的碳纤维。张国良等提出了一种高强聚丙烯腈基原丝的制备方法(申请号：CN200910234654.X)。该方法通过5级凝固后，得到了拉伸强度达到10.2cN/dtex的原丝。虽然该发明能提高原丝的单丝拉伸强度，但是这种拉伸强度的提高一般是通过过度牵伸实现的，因此会造成原丝的一些缺陷，在碳化过程中不利于实现碳纤维性能的进一步提高。薛祖彪等提出一种聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺(申请号：CN200910185529.4)。该方法根据原丝力学性能、截面形态结构和孔洞分析挑选聚丙烯腈原丝，然后进行碳化，得到拉伸强度大于4.92GPa的碳纤维。这种方法虽然能够制备出拉伸强度较好的碳纤维，但是其原丝的质量明显参差不齐，既不适用于大规模的生产，也不利于经济效益的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强中模碳纤维的制备方法。该方法具有原料简单，聚合液性能稳定，原丝品质高的优点。利用该方法制备的碳纤维的拉伸强度高达5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量高达298GPa～301GPa，属于高强中模范畴，具有广泛的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为18.5％～23.4％，粘度为80Pa·s～96Pa·s；

步骤二、利用喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，凝固后得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理；

步骤四、将步骤三中水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理；所述低温干燥的温度为80℃～95℃，所述高温干燥的温度为125℃～145℃；

步骤六、将步骤五中高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa～0.35MPa，牵伸倍率为1.5～3.0的条件下进行蒸汽牵伸处理，然后将蒸汽牵伸处理后的丝束在蒸汽压力为0.1MPa～0.2MPa，牵伸倍率为0.95～0.98的条件下进行蒸汽定型处理，之后将蒸汽定型处理后的丝束进行收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所述原丝先在温度为180℃～260℃，牵伸倍率为0.975～1.04的条件下进行预氧化处理，再在温度为450℃，牵伸倍率为1.00～1.03的条件下进行低温碳化处理，然后在温度为1350℃，牵伸倍率为0.96～0.964的条件下进行高温碳化处理，最终得到拉伸强度为5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量为298GPa～301GPa的高强中模碳纤维。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97％～99％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为所述单体质量的0.4％～0.8％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为所述单体质量的3.0～4.5倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料升温至58℃～63℃后保温18h～24h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为58℃～63℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体；

步骤104、在温度为58℃～63℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤102中所述升温的具体过程为：将混合料先以2℃/min～4℃/min的升温速率升温至45～55℃，再以0.5℃/min～1℃/min的升温速率升温至58℃～63℃。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤103和步骤104中所述抽真空处理的真空度均为-0.098MPa～-0.090MPa，所述抽真空处理的时间均为8h～12h。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤二中所述喷丝板上的喷丝孔为圆孔，所述喷丝孔的孔径为50μm～80μm。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤二中所述凝固的具体过程为：将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液先在牵伸倍率为0.5～0.9的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为55％～70％的DMSO水溶液进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.1～1.4的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为30％～40％的DMSO水溶液进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.4～1.7的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为15％～25％的DMSO水溶液进行三级凝固。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤三中所述水洗处理的温度为60℃～90℃。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤四中所述两段热水牵伸的具体过程为：将水洗处理后的丝束先在温度为75℃～85℃，牵伸倍率为1.5～1.7的条件下进行一段热水牵伸，再在温度为85℃～95℃，牵伸倍率为1.7～1.8的条件下进行二段热水牵伸。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤六中所述收卷的速率为7m/min～12m/min。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤七中所述预氧化处理的时间为60min，所述低温碳化处理的时间为4min，所述高温碳化处理的时间为2min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明从实际生产出发，以提高生产效率和提高碳纤维力学性能为目标，通过对聚合过程及原丝凝固条件的优化，以及对纺丝过程中牵伸比例的合理分配，制备出了断面形状好、拉伸强度适中、密度高的原丝。该原丝在纺丝过程中不容易产生毛丝和断丝，并且对碳化工艺要求低，非常适合生产高强中模的碳纤维。

2、由于原丝的质量在很大程度上决定了碳纤维的质量，而聚合液的质量又在很大程度上决定了原丝的质量。因此，本发明提出一种碳纤维原丝的制备方法，该方法以二甲基亚砜为溶剂，以偶氮二异丁腈为引发剂，以丙烯腈和衣康酸为聚合物单体，在单台聚合反应釜内完成聚合、脱单、脱泡等工序。通过对混合物在配料及反应过程中温度的严格控制，细化动态脱单，静态脱泡的压力和时间，制备出转化率高，粘度和分子量分布窄的聚合液。

3、本发明通过湿法纺丝得到了高品质的原丝，该原丝经预氧化、低温碳化和高温碳化后，能够得到拉伸强度达5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量达298GPa～301GPa的碳纤维，属于高强中模范畴，具有广泛的应用前景。

4、与传统技术相比，本发明具有原料简单，聚合液性能稳定，原丝品质高的优点。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例高强中模碳纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液，具体制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为98％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为单体质量的0.5％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为单体质量的4.2倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入到聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料先以3℃/min的升温速率升温至50℃，再以0.8℃/min的升温速率升温至60℃，然后于60℃恒温20h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为60℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体，抽真空处理的真空度为-0.095MPa，抽真空处理的时间为10h；

步骤104、在温度为60℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，抽真空处理的真空度为-0.095MPa，抽真空处理的时间为10h，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为20.7％，粘度为80.5Pa·s，增比粘度为1.4103；

步骤二、利用喷丝孔孔径为Φ80μm的喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液在牵伸倍率为0.7的条件下经过温度为58℃，质量百分比浓度为58％的DMSO水溶液中进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.16的条件下经过温度为60℃，质量百分比浓度为30％的DMSO水溶液中进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.5的条件下经过温度为56℃，质量百分比浓度为15％的DMSO水溶液中进行三级凝固，得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理，本实施例具体采用的是十段水洗工艺，各段水洗温度分别为60℃、65℃、65℃、70℃、70℃、70℃、75℃、80℃、80℃和85℃；

步骤四、对步骤三中经水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸，具体为：将丝束先在温度为75℃，牵伸倍率为1.6的条件下进行一段热水牵伸，然后在温度为85℃，牵伸倍率为1.78的条件下进行二段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理，其中低温干燥的温度为85℃，高温干燥的温度为125℃；

步骤六、将步骤五中经高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa，牵伸倍率为1.5的条件下进行蒸汽牵伸，然后在蒸汽压力为0.15MPa，牵伸倍率为0.95的条件下进行蒸汽定型，之后以7m/min的速率收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所得到的原丝进行预氧化处理，采用阶梯式预氧化法，各阶梯温度及保温时间依次为180℃/10min、190℃/10min、200℃/10min、210℃/10min、220℃/10min和230℃/10min，牵伸倍率依次为1.006、1.003、1.00、0.995、0.991和0.985，预氧化后的原丝先进行4min低温碳化，低温碳化温度450℃，牵伸倍率为1.0，低温碳化后的原丝再进行2min高温碳化，高温碳化温度1350℃，牵伸倍率0.964，最终得到高强中模碳纤维。

对本实施例原丝进行取样，测试其断面、含油、纤度、密度、沸水收缩率、单丝力测等各项指标。经检测，本实施例原丝的断面形状为椭圆形，含油率为0.85％，原丝纤度为0.743dtex，原丝密度为1.1817g/cm3，沸水收缩率为2.07％，单丝拉伸强度为6.8cN/dtex，单丝拉伸模量为99.4cN/dtex，由此证明本实施例获得了断面形状好、拉伸强度适中、密度高、品质优良的原丝。对本实施例最终制得的碳纤维进行性能检测，测得该碳纤维的拉伸强度为5.524GPa，拉伸模量为298GPa，由此证实本实施所制备的碳纤维确为高强中模碳纤维。

实施例2

本实施例高强中模碳纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液，具体制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为99％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为单体质量的0.4％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为单体质量的3.5倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入到聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料先以4℃/min的升温速率升温至45℃，再以1℃/min的升温速率升温至63℃，然后于63℃恒温18h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为63℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体，抽真空处理的真空度为-0.090MPa，抽真空处理的时间为8h；

步骤104、在温度为63℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，抽真空处理的真空度为-0.090MPa，抽真空处理的时间为8h，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为21.0％，粘度为92.3Pa·s，增比粘度为1.4186；

步骤二、利用喷丝孔孔径为Φ70μm的喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液在牵伸倍率为0.5的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为70％的DMSO水溶液中进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.4的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为40％的DMSO水溶液中进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.7的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为25％的DMSO水溶液中进行三级凝固，得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理，本实施例具体采用的是十段水洗工艺，各段水洗温度分别为60℃、65℃、65℃、70℃、70℃、70℃、75℃、80℃、80℃和90℃；

步骤四、对步骤三中经水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸，具体为：将丝束先在温度为75℃，牵伸倍率为1.7的条件下进行一段热水牵伸，然后在温度为85℃，牵伸倍率为1.8的条件下进行二段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理，其中低温干燥的温度为80℃，高温干燥的温度为125℃；

步骤六、将步骤五中经高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.35MPa，牵伸倍率为3.0的条件下进行蒸汽牵伸，然后在蒸汽压力为0.2MPa，牵伸倍率为0.95的条件下进行蒸汽定型，之后以8.5m/min的速率收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所得到的原丝进行预氧化处理，采用阶梯式预氧化法，各阶梯温度及保温时间依次为185℃/10min、200℃/10min、215℃/10min、230℃/10min、245℃/10min和260℃/10min，牵伸倍率依次为1.04、1.02、0.998、0.997、0.995和0.99，预氧化后的原丝先进行4min低温碳化，低温碳化温度450℃，牵伸倍率为1.03，低温碳化后的原丝再进行2min高温碳化，高温碳化温度1350℃，牵伸倍率为0.962，最终得到拉伸强度为5.67GPa，拉伸模量为301GPa的高强中模碳纤维。

对本实施例原丝进行取样，测试其断面、含油、纤度、密度、沸水收缩率、单丝力测等各项指标。经检测，本实施例原丝的断面形状为圆形，含油率为1.2％，原丝纤度为0.744dtex，原丝密度为1.1857g/cm³，沸水收缩率为2.11％，单丝拉伸强度为7.9cN/dtex，单丝拉伸模量为108.2cN/dtex，由此证明本实施例获得了断面形状好、拉伸强度适中、密度高、品质优良的原丝。对本实施例最终制得的碳纤维进行性能检测，测得该碳纤维的拉伸强度为5.67GPa，拉伸模量为301GPa，由此证实本实施所制备的碳纤维确为高强中模碳纤维。

实施例3

本实施例高强中模碳纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液，具体制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为单体质量的0.8％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为单体质量的3倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入到聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料先以2℃/min的升温速率升温至45℃，再以1℃/min的升温速率升温至63℃，然后于63℃恒温24h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为63℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体，抽真空处理的真空度为-0.098MPa，抽真空处理的时间为12h；

步骤104、在温度为63℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，抽真空处理的真空度为-0.090MPa，抽真空处理的时间为12h，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为23.4％，粘度为95.8Pa·s，增比粘度为1.4210；

步骤二、利用喷丝孔孔径为Φ50μm的喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液在牵伸倍率为0.5的条件下经过温度为65℃，质量百分比浓度为55％的DMSO水溶液中进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.1的条件下经过温度为65℃，质量百分比浓度为40％的DMSO水溶液中进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.7的条件下经过温度为65℃，质量百分比浓度为25％的DMSO水溶液中进行三级凝固，得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理，本实施例具体采用的是十段水洗工艺，各段水洗温度分别为60℃、65℃、65℃、70℃、70℃、70℃、75℃、80℃、80℃和90℃；

步骤四、对步骤三中经水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸，具体为：将丝束先在温度为85℃，牵伸倍率为1.7的条件下进行一段热水牵伸，然后在温度为95℃，牵伸倍率为1.8的条件下进行二段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理，其中低温干燥的温度为95℃，高温干燥的温度为145℃；

步骤六、将步骤五中经高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.25MPa，牵伸倍率为3.0的条件下进行蒸汽牵伸，然后在蒸汽压力为0.2MPa，牵伸倍率为0.98的条件下进行蒸汽定型，之后以9.6m/min的速率收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所得到的原丝进行预氧化处理，采用阶梯式预氧化法，各阶梯温度及保温时间依次为190℃/10min、200℃/10min、220℃/10min、230℃/10min、245℃/10min和255℃/10min，牵伸倍率依次为1.004、1.00、1.00、0.995、0.985和0.975，预氧化后的原丝先进行4min低温碳化，低温碳化温度450℃，牵伸倍率为1.01，低温碳化后的原丝再进行2min高温碳化，高温碳化温度1350℃，牵伸倍率为0.96，最终得到高强中模碳纤维。

对本实施例原丝进行取样，测试其断面、含油、纤度、密度、沸水收缩率、单丝力测等各项指标。经检测，本实施例原丝的断面形状为圆形，含油率为1.4％，原丝纤度为0.747dtex，原丝密度为1.1894g/cm³，沸水收缩率为2.32％，单丝拉伸强度为7.4cN/dtex，单丝拉伸模量为110cN/dtex，由此证明本实施例获得了断面形状好、拉伸强度适中、密度高、品质优良的原丝。对本实施例最终制得的碳纤维进行性能检测，测得该碳纤维的拉伸强度为5.5GPa，拉伸模量为300GPa，由此证实本实施所制备的碳纤维确为高强中模碳纤维。

实施例4

本实施例高强中模碳纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液，具体制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为单体质量的0.4％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为单体质量的4.5倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入到聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料先以2℃/min的升温速率升温至55℃，再以0.5℃/min的升温速率升温至58℃，然后于58℃恒温24h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为58℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体，抽真空处理的真空度为-0.098MPa，抽真空处理的时间为8h；

步骤104、在温度为58℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，抽真空处理的真空度为-0.098MPa，抽真空处理的时间为8h，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为18.5％，粘度为80Pa·s，增比粘度为1.4174；

步骤二、利用喷丝孔孔径为Φ70μm的喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液在牵伸倍率为0.9的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为55％的DMSO水溶液中进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.1的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为30％的DMSO水溶液中进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.4的条件下经过温度为55℃，质量百分比浓度为15％的DMSO水溶液中进行三级凝固，得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理，本实施例具体采用的是十段水洗工艺，各段水洗温度分别为60℃、65℃、65℃、70℃、70℃、70℃、75℃、80℃、80℃和85℃；

步骤四、对步骤三中经水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸，具体为：将丝束先在温度为75℃，牵伸倍率为1.5的条件下进行一段热水牵伸，然后在温度为85℃，牵伸倍率为1.7的条件下进行二段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理，其中低温干燥的温度为80℃，高温干燥的温度为125℃；

步骤六、将步骤五中经高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa，牵伸倍率为1.5的条件下进行蒸汽牵伸，然后在蒸汽压力为0.1MPa，牵伸倍率为0.95的条件下进行蒸汽定型，之后以12m/min的速率收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所得到的原丝进行预氧化处理，采用阶梯式预氧化法，各阶梯温度及保温时间依次为195℃/10min、215℃/10min、230℃/10min、240℃/10min、250℃/10min和260℃/10min，牵伸倍率依次为1.00、1.02、1.00、1.00、0.995和0.99，预氧化后的原丝先进行4min低温碳化，低温碳化温度450℃，牵伸倍率为1.03，低温碳化后的原丝再进行2min高温碳化，高温碳化温度1350℃，牵伸倍率为0.962，最终得到高强中模碳纤维。

对本实施例原丝进行取样，测试其断面、含油、纤度、密度、沸水收缩率、单丝力测等各项指标。经检测，本实施例原丝的断面形状为圆形，含油率为1.4％，原丝纤度为0.748dtex，原丝密度为1.1896g/cm³，沸水收缩率为2.31％，单丝拉伸强度为7.42cN/dtex，单丝拉伸模量为110cN/dtex，由此证明本实施例获得了断面形状好、拉伸强度适中、密度高、品质优良的原丝。对本实施例最终制得的碳纤维进行性能检测，测得该碳纤维的拉伸强度为5.8GPa，拉伸模量为301GPa，由此证实本实施所制备的碳纤维确为高强中模碳纤维。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为18.5%～23.4%，粘度为80Pa·s～96Pa·s；

步骤二、利用喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，凝固后得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理；

步骤四、将步骤三中水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理；所述低温干燥的温度为80℃～95℃，所述高温干燥的温度为125℃～145℃；

步骤六、将步骤五中高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa～0.35MPa，牵伸倍率为1.5～3.0的条件下进行蒸汽牵伸处理，然后将蒸汽牵伸处理后的丝束在蒸汽压力为0.1MPa～0.2MPa，牵伸倍率为0.95～0.98的条件下进行蒸汽定型处理，之后对蒸汽定型处理后的丝束进行收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所述原丝先在温度为180℃～260℃，牵伸倍率为0.975～1.04的条件下进行预氧化处理，再在温度为450℃，牵伸倍率为1.00～1.03的条件下进行低温碳化处理，然后在温度为1350℃，牵伸倍率为0.96～0.964的条件下进行高温碳化处理，最终得到拉伸强度为5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量为298GPa～301GPa的高强中模碳纤维。

2.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97%～99%，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为所述单体质量的0.4%～0.8%；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为所述单体质量的3.0～4.5倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将所述混合料升温至58℃～63℃后保温18h～24h进行聚合反应，得到聚合液；

步骤103、在温度为58℃～63℃且持续搅拌的条件下，对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体；

步骤104、在温度为58℃～63℃且停止搅拌的条件下，对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡，得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液。

3.根据权利要求2所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤102中所述升温的具体过程为：将所述混合料先以2℃/min～4℃/min的升温速率升温至45℃～55℃，再以0.5℃/min～1℃/min的升温速率升温至58℃～63℃。

4.根据权利要求2所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤103和步骤104中所述抽真空处理的真空度均为-0.098MPa～-0.090MPa，所述抽真空处理的时间均为8h～12h。

5.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤二中所述喷丝板上的喷丝孔为圆孔，所述喷丝孔的孔径为50μm～80μm。

6.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤二中所述凝固的具体过程为：将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液先在牵伸倍率为0.5～0.9的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为55%～70%的DMSO水溶液进行一级凝固，再在牵伸倍率为1.1～1.4的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为30%～40%的DMSO水溶液进行二级凝固，然后在牵伸倍率为1.4～1.7的条件下经过温度为55℃～65℃，质量百分比浓度为15%～25%的DMSO水溶液进行三级凝固。

7.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤三中所述水洗处理的温度为60℃～90℃。

8.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤四中所述两段热水牵伸的具体过程为：将水洗处理后的丝束先在温度为75℃～85℃，牵伸倍率为1.5～1.7的条件下进行一段热水牵伸，再在温度为85℃～95℃，牵伸倍率为1.7～1.8的条件下进行二段热水牵伸。

9.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤六中所述收卷的速率为7m/min～12m/min。

10.根据权利要求1所述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤七中所述预氧化处理的时间为60min，所述低温碳化处理的时间为4min，所述高温碳化处理的时间为2min。