CN107287699B - 一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺。所述工艺为将聚丙烯腈基碳纤维原丝在240～260℃的较高的起始温度下，以10～15℃的升温梯度，控制预氧化的总时间为33～40min，升温至270～290℃，预氧化过程中，控制热风以7000～12000m3/h的循环量垂直于丝束的运行方向向下吹送。本发明采用热风循环处理，大幅度缩短预氧化时间，将传统的大于60min的预氧化时间缩短到40min内，有效降低能耗。本发明在保障碳纤维质量的情况下实现低成本高产量的快速预氧化，减少工业生产成本，在碳纤维生产领域具有广泛的应用价值。

Description

一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺
技术领域
本发明涉及碳纤维碳化技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺。
背景技术
碳纤维是含碳量在90％以上的无机高分子纤维，是由有机纤维(如腈纶丝、沥青及粘胶纤维等)在惰性气体中经碳化和石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有诸多优异的力学性能，同钛、钢、铝等金属材料相比，既具有碳材料的固有本性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小等诸多优异性能，广泛应用于飞机制造和航空航天及导弹火箭等军工领域，风力发电叶片、汽车制造等工业领域，还有高尔夫球棒、羽毛球拍及自行车等体育休闲领域。
碳纤维的生产工艺可分为聚丙烯腈纤维(原丝)、预氧化工艺及碳化工艺。预氧化是生产聚丙烯腈基碳纤维的一个重要中间过程。它起到承前启后由原丝转化为碳纤维的桥梁，预氧化不仅控制着碳纤维的质量，而且也控制着碳纤维的产量。同样预氧化阶段的预氧化炉也是碳纤维生产的关键装备，同时也是耗时最长、能耗最高的装备，运行温度为180-300℃，纤维在预氧化炉内的处理时间常规为70-120分钟。因此降低碳纤维成本、提升品质的关键在于碳化的预氧化阶段。
发明内容
针对现有的聚丙烯腈基碳纤维预氧化工艺中存在的耗时长、能耗高的问题，本发明提供了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺。
本发明的技术方案如下：
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体步骤如下：
聚丙烯腈基碳纤维原丝在240～260℃的起始温度下，以10～15℃的升温梯度，控制预氧化的总时间为33～40min，升温至结束温度270～290℃，预氧化过程中，热风以7000～12000m3/h的循环量垂直于丝束的运行方向向下吹送，丝束的运行线速为550～720m/h，牵伸率为-5～-15％。
优选地，所述的起始温度为245～250℃。
优选地，所述的结束温度为270～275℃。
优选地，所述的升温梯度为12～15℃。
优选地，所述的循环量为8000～8500m3/h。
优选地，所述的预氧化的总时间为35～38min。
优选地，所述的丝束的运行线速为620～660m/h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用热风循环，将热风垂直于丝束的运行方向吹送，提供聚丙烯腈原丝逐级预氧化所需的氧气量，热交换面积大，极大地提高氧化效率，缩短预氧化时间，此外，通过控制热风的循环量，将试图逃逸的炉内空气吸收并送回到炉内循环，阻止冷空气进入炉内，有较好的气密性；
(2)本发明采用较高的预氧化起始温度，迅速达到聚丙烯腈基碳纤维原丝的有效预氧化温度，缩短了预氧化时间；
(3)本发明采用较高的预氧化升温速率，使聚丙烯腈基碳纤维原丝较快地达到所需的预氧化程度，缩短整个预氧化时间，预氧化时间缩短至33～40min；
(4)本发明采用较大的牵伸率，抑制解取向，避免纤维的毛丝或断丝的产生，实现连续稳定生产；
本发明的预氧化工艺耗时显著缩短，有效地降低了能耗，实现了低成本高产量的快速预氧化，极大地减少了工业生产成本。同时，制得的预氧丝的体密度为1.34～1.36g.cm-3，皮芯率在10％左右，预氧丝碳化后形成的碳纤维的强度达到5100MPa以上，具有优异的质量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：245℃；结束温度：270℃；升温梯度：12℃；热风循环量：7000m3/h；丝束的运行线速：660m/h，预氧化总时间：35min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5301MPa，CV值：4.3％。
实施例2
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：250℃；结束温度：275℃；升温梯度：15℃；热风循环量：8500m3/h；丝束的运行线速：720m/h，预氧化总时间：33min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5105MPa，CV值：5.4％。
实施例3
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：242℃；结束温度：270℃；升温梯度：12℃；热风循环量：7000m3/h；丝束的运行线速：620m/h，预氧化总时间：38min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5278MPa，CV值：4.5％。
实施例4
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：240℃；结束温度：270℃；升温梯度：15℃；热风循环量：7000m3/h；丝束的运行线速：550m/h，预氧化总时间：40min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5218MPa，CV值：3.6％。
实施例5
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：240℃；结束温度：270℃；升温梯度：15℃；热风循环量：8000m3/h；丝束的运行线速：660m/h，预氧化总时间：35min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5201MPa，CV值：4.7％。
实施例6
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：260℃；结束温度：290℃；升温梯度：15℃；热风循环量：10000m3/h；丝束的运行线速：660m/h，预氧化总时间：35min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5255MPa，CV值：5.1％。
实施例7
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：250℃；结束温度：270℃；升温梯度：10℃；热风循环量：7000m3/h；丝束的运行线速：660m/h，预氧化总时间：35min。
预氧丝的体密度1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5285MPa，CV值：5.1％。
由上述实施例1～实施例7可知，通过控制起始温度为240～260℃，升温梯度为10～15℃，预氧化的总时间为33～40min，结束温度270～290℃，热风以7000～12000m3/h的循环量，丝束的运行线速为550～720m/h，牵伸率为-5～-15％，预氧丝碳化后形成的碳纤维的强度均在5100MPa以上，CV值在3.6％～5.5％之间，相比于传统的预氧丝碳化形成的碳纤维具有更优异的力学性能，成本也有所降低。
对比例1
传统的聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：230℃；结束温度：262℃；升温梯度：10℃；热风循环量：4000m3/h；丝束的运行线速：300m/h，预氧化总时间：75min。
预氧丝的体密度为1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5075MPa，强度CV值：2.4％。
对比例2
传统的聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：225℃；结束温度：262℃；升温梯度：15℃；热风循环量：3000m3/h；丝束的运行线速：180m/h，预氧化总时间：120min。
预氧丝的体密度为1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：4975MPa，强度CV值：3.2％。
对比例3
传统的聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：235℃；结束温度：259℃；升温梯度：10℃；热风循环量：5000m3/h；运行的线速是420m/h；预氧化总时间：60min。
预氧丝的体密度为1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：5119MPa，强度CV值：3.1％。
比较实施例1～7和对比例1～3可知，相比于传统的起始温度、结束温度、升温梯度和热风循环量，预氧化总时间相对较长，且预氧丝碳化后形成的碳纤维的强度不如快速预氧化后预氧丝碳化后形成的碳纤维强度，且成本相对较高。
对比例4
起始温度过高时，聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化工艺，具体预氧化参数如下：
起始温度：262℃；结束温度：280℃；升温梯度：10℃；热风循环量：9000m3/h；运行的线速是720m/h，预氧化总时间：30min。
预氧丝的体密度为1.34-1.36g.cm-3。经碳化炉后获得的碳纤维产品性能，强度：4934MPa，强度CV值：7.6％。
比较实施例1～7和对比例4可知，起始温度和结束温度过高时，预氧化总时间虽然减少，但是预氧丝碳化后形成的碳纤维的强度下降明显，CV值明显增加，强度波动较大。

Claims (6)

1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，具体步骤如下：
聚丙烯腈基碳纤维原丝在240～260℃的起始温度下，以12～15℃的升温梯度，控制预氧化的总时间为33～40min，升温至结束温度270～290℃，预氧化过程中，热风以7000～12000m3/h的循环量垂直于丝束的运行方向向下吹送，丝束的运行线速为550～720m/h，牵伸率为-5～-15％，制得的预氧丝的体密度为1.34～1.36g.cm-3且预氧丝碳化后形成的碳纤维的强度为5100MPa以上。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，所述的起始温度为245～250℃。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，所述的结束温度为270～275℃。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，所述的循环量为8000～8500m3/h。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，所述的预氧化的总时间为35～38min。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺，其特征在于，所述的丝束的运行线速为620～660m/h。
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