CN106381578A - 一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺 - Google Patents

一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺，包括以下步骤：（1）提取原丝；（2）预氧化；（3）低温炭化和牵伸；（4）模具及表面特殊纹理处理；（5）收丝、包装，即可得到碳纤维静电制品。本发明与现有技术相比的优点是：本发明是通过特殊生产工艺使碳纤维材料制成的碳纤维成品具备一种“吸附功能或微磁场功能”，用于盛装香烟，可改变存储在香烟中的尼古丁分子结构，达到一种释放效果，从而逐量减轻烟草中尼古丁和焦油的含量，从源头上消减吸烟者对尼古丁的依赖性。该生产方法使得碳纤维制成品具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，导电，传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，最终达到控烟、戒烟的目的。

Description

一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺
技术领域
本发明涉及，尤其涉及一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺。
背景技术
碳纤维是上世纪 60 年代兴起的一种新型碳材料，它是指含碳量在 90%以上的高强度。高模量纤维，它是由原丝在一定的压力、温度下，经过预氧化，炭化处理等过程加工制成，具有特殊性能的纤维材料。
经过多年的发展，目前只有粘胶（纤维素）基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高，可达45％以上，而且因为生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比粘胶纤维简单，其成本低， 原料来源丰富， 加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能， 尤其是抗拉强度，抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以是目前应用领域最广，产量也最大的一种碳纤维。
聚丙烯腈纤维的研发和生产起步于 20 世纪 60 年代，90年代取得飞速发展，到21世纪初其制备技术和工艺已基本成熟。现在已发展成为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维两大种类（大丝束碳纤维是指每束碳纤维的根数大于48K的碳纤维，而 1K、3K、6K、12K 和 24K的碳纤维则称为小丝束碳纤维）
小丝束聚丙烯腈纤维领域，日本代表了目前世界最高工艺生产水平。1969年，日本东丽公司研制成功特殊的共聚型、高强高模型聚丙烯腈纤维，其后，该公司高性能碳纤维产量一直独居世界之首。
“十五期间”，国家科技部 863 计划设立了“碳纤维关键技术研究”专项，尤其对生产工艺落后、规模化生产的关键技术突破、新工艺新技术系统研究投入不足等， 这些问题严重影响了碳纤维复合材料在国民经济领域以及国防军工业的应用。
鉴于碳纤维及其复合材料属于技术密集型产品，是发展航空航天、尖端高科技必不可少的新材料，其在国防工业和国民经济上有着特殊的地位。碳纤维技术应用于医疗保健领域，已成为我国碳纤维工业急需解决的重大课题。
吸烟行为于近年被世界卫生组织(WHO)定义为生活方式疾病。尼古丁依赖是致病的罪魁祸首。
香烟当中有 4000 多种有害物质，其中包括：焦油、尼古丁、一氧化碳、亚硝胺和放射性物质等。其中一氧化碳和烟焦油是引起疾病的主要原因，而尼古丁是导致成瘾的主要成分。
烟草中的尼古丁是导致成瘾的重要化学物质。香烟中的尼古丁进入血液，使大脑内神经受体结合，它能够缓解紧张、抑郁、烦躁等精神状态。随着抽烟行为的长期持续，吸烟者要达到与以前同样的舒适感就必须获取更多的尼古丁，当戒烟者体内尼古丁含量突然降低，便会产生一系列不良症状，包括心理症状(如注意力无法集中、易怒、渴望吸烟以及一定的进攻性)和生理症状(如头痛、头晕、出汗以及便秘)，即产生戒断反应。
尼古丁的成瘾机理与吸毒完全一样，只是程度略轻而已。长期吸烟可使人体对尼古丁产生依赖性，机体活力下降，记忆力减退和工作效率低下等等。世界卫生组织(WHO)已经明确将尼古丁依赖定义为一种慢性、 高复发性精神神经障碍疾病，并确认烟草是目前对人类健康的最大威胁。
烟草成瘾性是完全可以戒掉的，关键要戒除生理和心理上对烟草（尼古丁）的依赖。
目前，市面上戒烟的方式通过设备调控香烟的出烟率和药物控烟，上述两种方法未能从根本上解决吸烟者戒烟的目的，通过药物控烟在一定程度上对吸烟者有一定影响，并不适合所有戒烟者。
发明内容
本发明是为了解决上述不足，提供了一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）提取原丝：
聚丙烯腈原丝的提取和选用在一定的聚合条件下，丙稀腈（AN）在引发剂的自由基作用下，双键被打开，并彼此连接为线型聚丙烯腈（PAN）大分子链，同时释放出 17.5kcal/mol的热量，即
生成的聚丙烯腈(PAN)纺丝液经过湿法纺丝或干喷湿纺等纺丝工艺后即可得到 PAN原丝；
（2）预氧化：
原丝经整理后，送入预氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝）；预氧丝进入低温炭化炉、高温炭化制得碳纤维；碳纤维经表面处理、上浆，即得到碳纤维产品；
（3）低温炭化和牵伸：
再经过低温炭化（300～1300℃）转化为具有乱层石墨结构的碳纤维，最终形成含碳量90％以上的碳纤维；牵伸贯穿生产碳纤维的全过程，生产原丝过程中需要多段拉伸，保持原丝的取向度；
（4）模具及表面特殊纹理处理：
使用阳极电极氧化法，用脉冲通电（即，碳酸氢铵中性电解质）方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和产生凹凸物理表象，局部形成“静电漩涡场”效应；而后进行水洗，水洗过程用浸渍法对碳丝进行清洗，将碳丝表面的电解液等杂质清洗掉，为以后的上浆（EP树脂）过程做准备；最后进行上浆，上浆后，碳丝的表面形成一层皮膜，使得碳丝的集束性好，耐磨性提高，深加工中的起毛现象减少，并且碳纤维的吸水性会变小，开纤扩幅容易。
（5）收丝后包装，即可得到特殊碳纤维静电制品。
本发明与现有技术相比的优点是：本发明是通过特殊生产工艺使碳纤维材料制成的碳纤维成品具备一种“吸附功能或微磁场功能”，用于盛装香烟，可改变存储在香烟中的尼古丁分子结构，达到一种释放效果，从而逐量减轻烟草中尼古丁和焦油的含量，从源头上消减吸烟者对尼古丁的依赖性。该生产方法使得碳纤维制成品具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，导电，传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，最终达到控烟、戒烟的目的。
附图说明
图1是本发明的碳纤维静电制品的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详述。
如图1所示，一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺，包括以下步骤：
（1）提取原丝：
聚丙烯腈原丝的提取和选用在一定的聚合条件下，丙稀腈（AN）在引发剂的自由基作用下，双键被打开，并彼此连接为线型聚丙烯腈（PAN）大分子链，同时释放出 17.5kcal/mol的热量，即：
生成的聚丙烯腈(PAN)纺丝液经过湿法纺丝或干喷湿纺等纺丝工艺后即可得到 PAN原丝。
优良原丝的基本特征是：圆形截面，表面光洁、无损；细小结晶结构及结构单元的高取向。合格产品的优良原丝符合单丝直径为7微米，现在以 T300/400 为主要规格。
（2）预氧化：
原丝经整理后，送入预氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝）；预氧丝进入低温炭化炉、高温炭化制得碳纤维；碳纤维经表面处理、上浆，即得到碳纤维产品。
全过程连续进行，任何一道工序出现问题都会影响稳定生产和碳纤维产品的质量。全过程流程长、工序多，是多学科、多技术的集成。
预氧化的温度控制在玻璃化温度和裂解温度之间，即200～300℃之间。预氧化的目的是使热塑性 PAN 线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构，使其在炭化高温下不熔不燃、保持纤维形态，热力学处于稳定状态。预氧化的梯形结构使炭化效率显著提高，大大降低了生产成本。
（3）低温炭化：
原丝经预氧化处理后转化为耐热梯形结构，再经过低温炭化（300～1300℃）转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。在这一结构转化过程中，较小的梯形结构单元进一步进行交联、缩聚，且伴随热解，在向乱层石墨结构转化的同时释放出许多小分子副产物。同时，非碳元素逐步被排除，降低纤维的力学性能，最终形成含碳量90％以上的碳纤维。
对于碳纤维来说，预氧化全过程时间为2个小时左右，它是一个双扩散过程，即氧由表及里向内扩散而被结合在梯形结构里， 热解的小分子和反应副产物则由内向外扩散。这些反应的副产物不断被流动热风带走，建立新的平衡，促进预氧化反应向纤维的纵深发展。
低温炭化是制取高性能碳丝的关键工序，纤维在此过程中失重约 30%左右，强力降至原有的五分之一。纤维经五道温区，颜色逐渐由乌黑转亮黑色的阻燃纤维。
低温炭化炉中各段的温度分布对于热处理丝的质量有较大的影响，其中以第二温区中的影响最大。因为在此温区中纤维的变化最大，发生的化学反应最复杂，有纤维的脱水反应、水解反应及裂解反应，有三种物态排出：易发挥的气体、易冷凝的焦油状物和升华的物质（如 HCN，NH3，CO2，CO，H2O，N2等），纤维在此温区中经历了最大热失重速率，丝的结晶取向、超分子结构和聚合度等指标都发生了突变。
本发明需要的低温炭化炉的温度是300～1300℃，并且由低到高形成温度梯度，使热解过程循序渐进、可控可调，平稳过渡。当 600℃处理后，纤维内部的过渡晶态已经变成一种新晶型的雏形，也即四碳原子的纵横向聚合完成。
牵伸贯穿生产碳纤维的全过程。生产原丝过程中需要多段拉伸，保持原丝的取向度。
（4）模具及表面特殊纹理处理：
碳纤维复合材料构件的成型完全不同于传统金属零件的翻造，它是材料形成与构件成型同时完成的，构件性能与翻造工艺紧密相关，构件质量在很大程度上依赖于模具和工艺技术。本碳纤维制品工艺的成型技术，是指将碳纤维按特定方向、不同层数铺设出设计形状，同步采用一种将感应器集成在模具中的新型感应加热工艺（模具），在一定压力和温度下碳纤维固化成型．此工艺成型结果具有整体性和力学合理性的两大特点，其在剪切强度、抗冲击损伤特性等性能方面也均优于传统的复合材料成品。
为碳纤维能产生持续静电作用，需对碳纤维的表面进行特殊处理（如左上图）。需使用阳极电极氧化法，用脉冲通电（即，碳酸氢铵中性电解质）方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和产生凹凸物理表象，局部形成“静电漩涡场”效应。表面处理中需通10V左右的电压，形成 25A 左右的电流。
水洗过程用浸渍法对碳丝进行清洗，将碳丝表面的电解液等杂质清洗掉，为以后的上浆（EP 树脂）过程做准备。在水洗中水温设定在 50℃左右，之后再加以 100℃左右的干燥作用。
碳纤维是脆性材料，在后续的深加工过程中容易出现起毛丝等不良的现象，经过上浆过程能很好的改良碳纤维的表面性质。上浆后，碳丝的表面形成一层皮膜，使得碳丝的集束性好，耐磨性提高，深加工中的起毛现象减少，并且碳纤维的吸水性会变小，开纤扩幅容易。
（5）收丝后包装，即可得到特殊碳纤维静电制品。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种碳纤维静电控烟制品的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）提取原丝：
聚丙烯腈原丝的提取和选用在一定的聚合条件下，丙稀腈（AN）在引发剂的自由基作用下，双键被打开，并彼此连接为线型聚丙烯腈（PAN）大分子链，同时释放出 17.5kcal/mol的热量，即
生成的聚丙烯腈(PAN)纺丝液经过湿法纺丝或干喷湿纺等纺丝工艺后即可得到 PAN原丝；
（2）预氧化：
原丝经整理后，送入预氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝）；预氧丝进入低温炭化炉、高温炭化制得碳纤维；碳纤维经表面处理、上浆，即得到碳纤维产品；
（3）低温炭化和牵伸：
再经过低温炭化（300～1300℃）转化为具有乱层石墨结构的碳纤维，最终形成含碳量90％以上的碳纤维；牵伸贯穿生产碳纤维的全过程，生产原丝过程中需要多段拉伸，保持原丝的取向度；
（4）模具及表面特殊纹理处理：
使用阳极电极氧化法，用脉冲通电（即，碳酸氢铵中性电解质）方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和产生凹凸物理表象，局部形成“静电漩涡场”效应；而后进行水洗，水洗过程用浸渍法对碳丝进行清洗，将碳丝表面的电解液等杂质清洗掉，为以后的上浆（EP树脂）过程做准备；最后进行上浆，上浆后，碳丝的表面形成一层皮膜，使得碳丝的集束性好，耐磨性提高，深加工中的起毛现象减少，并且碳纤维的吸水性会变小，开纤扩幅容易；
（5）收丝、包装，即可得到碳纤维静电制品。
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