CN111647973A - 一种大丝束碳纤维的制备方法 - Google Patents

一种大丝束碳纤维的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111647973A
CN111647973A CN202010643890.3A CN202010643890A CN111647973A CN 111647973 A CN111647973 A CN 111647973A CN 202010643890 A CN202010643890 A CN 202010643890A CN 111647973 A CN111647973 A CN 111647973A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
tow carbon
tow
preparing
oxidation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010643890.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王春华
刘杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou Institute for Advanced Materials Beijing University of Chemical Technology
Original Assignee
Changzhou Institute for Advanced Materials Beijing University of Chemical Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou Institute for Advanced Materials Beijing University of Chemical Technology filed Critical Changzhou Institute for Advanced Materials Beijing University of Chemical Technology
Priority to CN202010643890.3A priority Critical patent/CN111647973A/zh
Publication of CN111647973A publication Critical patent/CN111647973A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30—Wind power

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种大丝束碳纤维的制备方法。为解决大丝束碳纤维预氧化时间过长的问题，提出了一种通过控制汽氧比的手段调节纤维结构和反应，在分段式预氧炉中制备大丝束碳纤维的方法，其预氧化时间为10～40min。本发明方法可为大丝束碳纤维制造缩短预氧化时间50％以上，节约能耗，所得产品性能高，成本优势明显，有利于推动碳纤维在风电叶片、建筑补强、压力容器和汽车轻量化等民用领域的规模化应用。

Description

一种大丝束碳纤维的制备方法
技术领域：
本发明属于高性能纤维领域，涉及一种大丝束碳纤维的制备方法。
背景技术：
碳纤维是一种战略新材料，素有材料之王和黑色黄金的美誉，近来，随着大型风电叶片、新能源汽车的兴起，碳纤维的高性能低成本技术成为研究热点，其中提高生产速度和提高纤维丝束大小成为关键，大丝束碳纤维因其制备的规模化效应和下游复合材料生产效率高而受到众多企业的欢迎，然而大丝束碳纤维原丝相对小丝束放热量更大、更多，为了防止熔丝、并丝和断丝现象的出现，其预氧化时间长达70～140min，这一定程度上抵消了大丝束规模化效应对降成本的积极影响，导致大丝束碳纤维价格相对同级别小丝束碳纤维并没有降低。有研究者对小丝束碳纤维快速预氧化进行了研究，为了追求缩短预氧化时间，采取电子辐照、等离子体、微波或红外辅助预氧化，或者采用特殊液体或气体改性PAN原丝，让大丝束原丝在高能粒子作用下快速反应，放出部分反应热，但这给企业设备配套、过程控制和连续化生产造成困难，制得的碳纤维力学性能不高，效果有限，稳定性差。由于过去国内对大丝束碳纤维(≥48K)重视不足，相关制备技术和工艺的研究报道不多，关于大丝束碳纤维高性能低成本制备技术则更为鲜见。
发明内容：
本发明目的是解决大丝束碳纤维在预氧化阶段耗时耗能的问题，并提供一种大丝束碳纤维的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
其制备方法包括以下步骤：将大丝束PAN原丝在可调气氛的分段式预氧化炉中进行2～6温区的预氧化，可调气氛种类包括氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳和稀有气体的一种或几种，通过氮气、二氧化碳和稀有气体等调节氧含量，通过水蒸气调节汽含量，预氧化温度为180～300℃，预氧化时间10～40min，然后经过牵伸、低温碳化和高温碳化过程，获得高性能低成本的大丝束碳纤维。
所述的大丝束PAN原丝根数为大于等于48K。
采用上述方案后，可以获得一种大丝束碳纤维，其拉伸强度≥4.0GPa，拉伸模量≥230GPa，体密度为1.78～1.84g/cm3。这种大丝束碳纤维具有以下优点：
1、力学性能超过日本东丽T300级别，达到国外商品级大丝束碳纤维同等水平，可以满足现代新兴工业对碳纤维的迫切需求；
2、预氧化时间在10～40min，极大缩短了预氧化时间，进一步降低了大丝束碳纤维的生产成本，提高了生产效率；
3、制备方法、操作易行，简单有效，适合在生产企业中直接工程化放大。
具体实施方式：
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
比较例1：将大丝束PAN原丝依次进入四段式预氧化炉，气氛分均为空气，每个温区停留时间均为18min，总时间为72min，温度分别为238℃，243℃，248℃和257℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.78 3.6 225 1.8 7.1
比较例2：将大丝束PAN原丝依次进入六段式预氧化炉，气氛分均为空气，每个温区停留时间均为15min，总时间为90min，温度分别为200℃，212℃，225℃、238℃、246℃和253℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.79 3.9 231 1.9 7.0
实施例1：
将大丝束PAN原丝依次进入六段式预氧化炉，每个炉子的气氛分别为H2O[70％H2O]&Air、O2[21.5％O2]&Air、Air、Air、H2O[10％H2O]&Air和Air，每个温区停留时间均为6min，总时间为36min，温度分别为240℃、242℃、245℃、250℃、260℃和262℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.79 4.4 240 2.0 7.1
实施例2：
将大丝束PAN原丝依次进入五段式预氧化炉，气氛分别为N2、O2[22％O2]&Air、H2O[20％H2O]&Air、Air和Air，每个温区停留时间均为6min，总时间为30min，温度分别为237℃、242℃、247℃、253和260℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.80 4.8 243 2.1 7.2
实施例3：
将大丝束PAN原丝依次进入四段式预氧化炉，气氛分别为O2[23％O2]&Air、H2O[40％H2O]&Air、N2[5％O2]&Air和Air，每个温区停留时间均为6min，总时间为24min，温度分别为227℃、243℃、255℃和261℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.81 4.7 255 2.0 7.0
实施例4：
将大丝束PAN原丝依次进入三段式预氧化炉，气氛分别为H2O[50％H2O]&Air、N2和O2[23％O2]&Air，每个温区停留时间均为6min，总时间为18min，温度分别为245℃、255℃和260℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.82 4.5 236 1.9 7.0
实施例5：
将大丝束PAN原丝依次进入二段式预氧化炉，气氛分别为H2O和O2(25％)&Air，每个温区停留时间均为6min，总时间为12min，温度分别为260℃和265℃，最终制得大丝束碳纤维性能如下表：
性能 体密度(g/mm<sup>3</sup>) 强度(GPa) 模量(GPa) 伸长率(％) 直径(um)
数据 1.83 4.1 233 1.9 7.1
注：汽氧比作如下表述：输入气体[控制气体量]&炉内循环气体，例如H2O[50％H2O]&Air，此温区预氧炉气氛情况为：在炉内循环空气中输入水蒸气，维持水蒸气体积含量占总气体体积的50％。

Claims (9)

1.一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：大丝束原丝在可调汽氧比的分段式预氧化炉中进行连续预氧化处理，随后经过常规低温和高温碳化处理，获得高性能低成本的大丝束碳纤维。
2.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，可调汽氧比的分段式预氧化炉，其可调气氛的种类包括氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳和稀有气体的一种或几种。
3.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，氧气体积分数范围为0～30％。
4.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，水蒸气体积分数范围为8～100％。
5.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，所述大丝束碳纤维的原丝根数为≥48K。
6.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，其预氧化温度为200～300℃。
7.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，预氧化总时间为10～40min。
8.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，可调气氛的分段式预氧化炉，包含2～6段式。
9.如权利要求1所示的一种大丝束碳纤维的制备方法，其特征在于，所获得的大丝束碳纤维体密度为1.78～1.84g/cm3，拉伸强度大于等于4.0GPa，拉伸模量大于等于230GPa。
CN202010643890.3A 2020-07-07 2020-07-07 一种大丝束碳纤维的制备方法 Pending CN111647973A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010643890.3A CN111647973A (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种大丝束碳纤维的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010643890.3A CN111647973A (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种大丝束碳纤维的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111647973A true CN111647973A (zh) 2020-09-11

Family

ID=72345911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010643890.3A Pending CN111647973A (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种大丝束碳纤维的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111647973A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114045579A (zh) * 2021-12-29 2022-02-15 吉林宝旌炭材料有限公司 一种快速、高效生产制备25k大丝束碳纤维的工艺方法
CN114481367A (zh) * 2021-12-30 2022-05-13 吉林宝旌炭材料有限公司 一种35k大丝束碳纤维及其制备方法
CN114790592A (zh) * 2022-02-15 2022-07-26 武汉科技大学 一种快速预氧化制备高性能沥青基炭纤维的方法
CN115369521A (zh) * 2021-05-19 2022-11-22 吉林碳谷碳纤维股份有限公司 一种碳纤维原丝的预氧化工艺及聚丙烯腈碳纤维预氧丝

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104480575A (zh) * 2014-12-26 2015-04-01 广州金发碳纤维新材料发展有限公司 一种碳纤维及其制备方法和基于其的复合材料及应用
CN105887243A (zh) * 2014-12-17 2016-08-24 张朝书 一种制作碳纤维的方法
CN106222803A (zh) * 2016-07-04 2016-12-14 威海拓展纤维有限公司 制备大丝束碳纤维的预氧化方法
CN110055624A (zh) * 2019-05-20 2019-07-26 中国科学院山西煤炭化学研究所 聚丙烯腈纤维的预氧化方法、聚丙烯腈碳纤维及制备方法
CN110093688A (zh) * 2018-01-29 2019-08-06 永虹先进材料股份有限公司 纤维预氧化设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105887243A (zh) * 2014-12-17 2016-08-24 张朝书 一种制作碳纤维的方法
CN104480575A (zh) * 2014-12-26 2015-04-01 广州金发碳纤维新材料发展有限公司 一种碳纤维及其制备方法和基于其的复合材料及应用
CN106222803A (zh) * 2016-07-04 2016-12-14 威海拓展纤维有限公司 制备大丝束碳纤维的预氧化方法
CN110093688A (zh) * 2018-01-29 2019-08-06 永虹先进材料股份有限公司 纤维预氧化设备
CN110055624A (zh) * 2019-05-20 2019-07-26 中国科学院山西煤炭化学研究所 聚丙烯腈纤维的预氧化方法、聚丙烯腈碳纤维及制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李常清等: "PAN原丝高效预氧化研究", 《化工新型材料》 *
贺福: "聚丙烯腈纤维的预氧化技术", 《炭素技术》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115369521A (zh) * 2021-05-19 2022-11-22 吉林碳谷碳纤维股份有限公司 一种碳纤维原丝的预氧化工艺及聚丙烯腈碳纤维预氧丝
CN115369521B (zh) * 2021-05-19 2024-01-05 吉林碳谷碳纤维股份有限公司 一种碳纤维原丝的预氧化工艺及聚丙烯腈碳纤维预氧丝
CN114045579A (zh) * 2021-12-29 2022-02-15 吉林宝旌炭材料有限公司 一种快速、高效生产制备25k大丝束碳纤维的工艺方法
CN114481367A (zh) * 2021-12-30 2022-05-13 吉林宝旌炭材料有限公司 一种35k大丝束碳纤维及其制备方法
CN114790592A (zh) * 2022-02-15 2022-07-26 武汉科技大学 一种快速预氧化制备高性能沥青基炭纤维的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111647973A (zh) 一种大丝束碳纤维的制备方法
CN207891472U (zh) 纤维预氧化设备
CN106592020B (zh) 聚丙烯腈基热稳定化纤维的制备方法
CN107628618B (zh) 一种木质素基高比表面积碳材料的制备方法
CN107287699B (zh) 一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺
CN112919924B (zh) 一种高强度的轻质混凝土及制备方法
CN104233514A (zh) 一种聚丙烯腈碳纤维及其制备方法
CN211522400U (zh) 一种微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备
AU2020101471A4 (en) A Method for Recovering Carbon Fiber from Carbon Fiber Composite
CN108048957A (zh) 一种中空结构的活性碳纤维的制备工艺
CN111118671B (zh) 一种25k大丝束碳纤维的制备方法
CN112626645B (zh) 一种大丝束聚丙烯腈预氧丝的制备方法
CN108203848A (zh) 一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法
CN108456950B (zh) 一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法
CN111020750B (zh) 一种用于生产大丝束碳纤维的高速制备方法
CN106592019B (zh) 聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法
CN110230125B (zh) 一种超细高导热石墨纤维粉的制备方法
CN103184589A (zh) 一种经过氨化改性原丝的pan基碳纤维的制备方法
CN1746344A (zh) 一种碳纤维连续石墨化的方法及其装置
CN107881599B (zh) 一种提高聚丙烯腈基碳纤维强度的方法
WO2024082420A1 (zh) 一种基于反复碳化-氧化的风电叶片回收方法
CN116427101A (zh) 一种高纯度、难石墨化黏胶基碳纤维毡制备方法及设备
CN114790592A (zh) 一种快速预氧化制备高性能沥青基炭纤维的方法
CN112708967B (zh) 聚丙烯腈基纤维的预氧化方法及碳纤维制备方法
CN110273198B (zh) 一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200911

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication