CN111926415B - 一种能够消除静电的碳纤维生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够消除静电的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述生产工艺包含以下步骤：将聚合反应得到的原料聚合物进行湿法纺丝得到原丝；将季铵盐溶于水，配置成质量浓度0.1~1%wt的溶液，均匀涂布至原丝上；将上一步出来的原丝经干燥设备内干燥，消除原丝中含有的水分；预氧化；低温炭化；高温炭化；表面处理；上浆；收丝。该能够消除静电的碳纤维生产工艺，能够保证去除静电影响，同时有利于保证避免原丝发生解取向，能够保证氧化碳化后的原丝强度，保证碳纤维质量。

Description

一种能够消除静电的碳纤维生产工艺

技术领域

本发明涉及碳纤维生产技术领域，具体为一种能够消除静电的碳纤维生产工艺。

背景技术

碳纤维是一种的高强度高模量纤维，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，耐高温居所有化纤之首，是一种功能强大的优良材料，其备过程是一个涉及聚合、纺丝、预氧化、碳化和后处理等多道复杂工艺且前后高度关联的系统工程。

静电是由物体间的相互摩擦或感应而产生的，碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤；在生产过程中，原丝在经过放丝和预氧化工序时，经与放丝机放卷和各个导辊以及几个预氧化炉导轮机组的导辊之间的摩擦，以及炉内热循环风与丝束的摩擦，都会产生大量的静电荷，不利于保证避免原丝发生分解取向，不能够保证氧化碳化后的原丝强度，不利于保证碳纤维质量。

现有的碳纤维生产中的除静电大都依赖专用的除静电设备，例如CN103484975A、CN200949124Y、CN203474980U等等，增加了设备的投入成本，且在一条生产线上需要设置多个除静电设备才能起到良好的除静电效果，增加了生产线的占地面积和维护成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够消除静电的碳纤维生产工艺，以解决上述背景技术提出的目前的碳纤维生产工艺，在进行碳纤维的生产过程中，不能够保证去除静电影响，同时不利于保证避免原丝发生解取向，不能够保证氧化碳化后的原丝强度，不利于保证碳纤维质量的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能够消除静电的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述生产工艺包含以下步骤：

(1)熔融抽丝，将聚合反应得到的原料聚合物进行湿法纺丝得到原丝；所述原料聚合物由1～2％wt衣康酸、0.1～5％wt苯乙烯磺酸，余量为丙烯腈作为共聚单体进行聚合得到；

(2)将季铵盐溶于水，配置成质量浓度0.1～1％wt的溶液，均匀涂布至原丝上；

(3)初干燥，将步骤(2)得到的原丝经干燥设备内干燥，消除原丝表面及内部含有的水分；

(4)预氧化，将干燥后的原丝连同原丝送入预氧化炉中进行预氧化，对原丝两端牵引保持涨紧状态，牵伸率为2～10％，最终形成预氧丝；

(5)低温炭化，将预氧丝在惰性气体或真空状态中于400～600℃下恒温热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；

(6)高温炭化，将预氧丝在惰性气体或真空状态中热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；

(7)表面处理，将炭化丝进行表面处理，表面处理后水洗清洁，而后再烘干；

(8)上浆，采用浸渍法使每根碳纤维单丝均匀上浆；

(9)收丝，将干燥后的碳纤维收集收卷。

优选的，所述步骤(1)中所述原料聚合物由1～2％wt衣康酸、0.5～1％wt苯乙烯磺酸，余量为丙烯腈作为共聚单体进行聚合。

优选的，所述步骤(2)中季铵盐为烷基链为短链或烷基链中含有醇醚或醚酯结构的单季铵盐、双季铵盐、三季铵盐、多季铵盐或超支化季铵盐中的一种或多种组合。

优选的，所述步骤(2)中季铵盐水溶液的涂布方法为将原丝放入溶液中浸泡或将季铵盐水溶液雾化后喷雾。

优选的，所述步骤(3)中初干燥采用卧式干燥炉，干燥温度为80～100℃，干燥时间为25～30min。

优选的，所述步骤四中预氧化炉连续设置有3个，且3个预氧化炉的温度区间依次分别为180～230℃、220～260℃、255～265℃，经预氧化的原丝由线性分子链转化为梯形结构。

优选的，所述步骤(6)中高温碳化中碳化炉内设6个温度区间，分别为1000～1100℃、1050～1200℃、1150～1300℃、1250～1400℃、1350～1500℃和1450～1600℃，经过炭化后，预氧丝内部形成乱层石墨结构，并脱出小分子。

优选的，所述3个预氧化炉之间相互连通，且3个预氧化炉内的预氧化时间分别为15～20min、20～30min和25～40min，共65～90min。

优选的，所述6个碳化炉之间连续设置，且相互连通，并且6个碳化炉内的碳化时间分别为3～5min、4～5min、4～5min、4～5min、5～7min和5～8min，共25～35min。

优选的，所述步骤(7)中表面处理将干燥清洁炭化丝置于碳酸氢铵中性电解质中，采用5～15V的电压、20～30A的电流，用脉冲通电的方法进行表面处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该能够消除静电的碳纤维生产工艺，能够保证去除静电影响，同时有利于保证避免原丝发生分解取向，能够保证氧化碳化后的原丝强度，保证碳纤维质量。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以96％wt丙烯腈，1％wt衣康酸、3％wt苯乙烯磺酸作为共聚单体，在溶剂和引发剂的作用下进行溶液聚合反应，得到共聚物；将聚合反应得到的聚合物进行湿法纺丝得到原丝；将氯化苄基三乙基铵溶于水，配置成质量浓度1％wt的溶液，将原丝浸泡于氯化苄基三乙基铵水溶液中2min后，取出晾干。

将原丝经卧式干燥炉干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为30min，干燥后得到含水量≤1％的原丝；将干燥后的原丝连同原丝送入预氧化炉中进行预氧化，预氧化炉连续设置有3个，3个预氧化炉的温度区间依次分别为180～230℃、220～260℃、255～265℃，预氧化时间分别为15min、20min和25min；对原丝两端牵引保持涨紧状态，牵伸率为5％，最终形成预氧丝；低温炭化，将预氧丝在惰性气体或真空状态中于500℃下恒温25min热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；将预氧丝在惰性气体或真空状态中热处理，高温碳化中碳化炉内设6个温度区间，分别为1000～1100℃、1050～1200℃、1150～1300℃、1250～1400℃、1350～1500℃和1450～1600℃，所述6个碳化炉之间连续设置、相互连通碳化时间分别为3min、4min、4min、4min、5min和8min，加热过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态。

将炭化丝进行表面处理，将干燥清洁炭化丝置于碳酸氢铵中性电解质中，采用5～15V的电压、20～30A的电流，用脉冲通电的方法进行表面处理；处理完成后水洗清洁，而后再烘干；采用浸渍法使每根碳纤维单丝均匀上浆；将干燥后的碳纤维收集收卷。

实施例2

以97％wt丙烯腈，2％wt衣康酸、1％wt苯乙烯磺酸作为共聚单体，在溶剂和引发剂的作用下进行溶液聚合反应，得到共聚物；将聚合反应得到的聚合物进行湿法纺丝得到原丝；将硫酸氢四丁基铵溶于水，配置成质量浓度0.5％wt的溶液，将原丝浸泡于硫酸氢四丁基铵水溶液中1min后，取出晾干。

将原丝经卧式干燥炉干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为25min，干燥后得到含水量≤1％的原丝；将干燥后的原丝连同原丝送入预氧化炉中进行预氧化，预氧化炉连续设置有3个，3个预氧化炉的温度区间依次分别为180～230℃、220～260℃、255～265℃，预氧化时间分别为20min、30min和30min；对原丝两端牵引保持涨紧状态，牵伸率为2％，最终形成预氧丝；低温炭化，将预氧丝在惰性气体或真空状态中于600℃下恒温30min热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；将预氧丝在惰性气体或真空状态中热处理，高温碳化中碳化炉内设6个温度区间，分别为1000～1100℃、1050～1200℃、1150～1300℃、1250～1400℃、1350～1500℃和1450～1600℃，所述6个碳化炉之间连续设置、相互连通碳化时间分别为4min、4min、4min、4min、5min和5min，加热过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态。

将炭化丝进行表面处理，将干燥清洁炭化丝置于碳酸氢铵中性电解质中，采用5～15V的电压、20～30A的电流，用脉冲通电的方法进行表面处理；处理完成后水洗清洁，而后再烘干；采用浸渍法使每根碳纤维单丝均匀上浆；将干燥后的碳纤维收集收卷。

实施例3

除共聚单体由97.5％wt丙烯腈，2％wt衣康酸、0.5％wt苯乙烯磺酸组成外，其余条件同实施例1。

实施例4

除共聚单体由97.8％wt丙烯腈，2％wt衣康酸、0.2％wt苯乙烯磺酸组成，以及硫酸氢四丁基铵水溶液浓度为0.1wt％，且以超声波雾化的方式涂布外，其余条件同实施例2。

对比例1

共聚单体由98％wt丙烯腈，2％wt衣康酸组成，且未涂布季铵盐溶液，其余条件同实施例2。

对比例2

共聚单体由96％wt丙烯腈，1％wt衣康酸、3％wt丙烯酸甲酯组成，且未涂布季铵盐溶液，其余条件同实施例1。

实验例

将各碳纤维样品固化后，采用岛津HT-9112型拉力仪进行拉断实验，重复10次后取平均值，得到纤维的拉伸模量、拉伸强度、强度CV；并用浮沉法测定聚丙烯腈碳纤维体密度，测得数据参见表1：

从上述实验数据可以看到，用本申请的方法制备得到的碳纤维，在纤维密度略高于对比例，其拉伸模量、拉伸强度、强度CV也有一定的优势；苯乙烯磺酸含量在0.5～1wt％区间内时，优势更加明显。

上述实施例中未详细描述的步骤均采用常规方法。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或者替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种能够消除静电的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述生产工艺包含以下步骤：

（1）将聚合反应得到的原料聚合物进行湿法纺丝得到原丝；所述原料聚合物由1~2%wt衣康酸、0.1~5%wt苯乙烯磺酸，余量为丙烯腈作为共聚单体进行聚合得到；

（2）将季铵盐溶于水，配置成质量浓度0.1~1%wt的溶液，均匀涂布至原丝上；所述季铵盐为烷基链为短链或烷基链中含有醇醚或醚酯结构的单季铵盐、双季铵盐、多季铵盐或超支化季铵盐中的一种或多种组合；

（3）初干燥，将步骤（2）得到的原丝经干燥设备内干燥，消除原丝表面及内部含有的水分；

（4）预氧化，将干燥后的原丝送入预氧化炉中进行预氧化，对原丝两端牵引保持涨紧状态，牵伸率为2~10%，最终形成预氧丝；

（5）低温炭化，将预氧丝在惰性气体或真空状态中于400~600℃下恒温热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；

（6）高温炭化，将经低温炭化的预氧丝在惰性气体或真空状态中热处理，过程中对原丝两端施加牵伸力保持涨紧状态；

（7）表面处理，将炭化丝进行表面处理，表面处理后水洗清洁，而后再烘干；

（8）上浆，采用浸渍法使每根碳纤维单丝均匀上浆；

（9）收丝，将干燥后的碳纤维收集收卷。

2.根据权利要求1所述的碳纤维生产工艺，其特征在于，所述步骤（2）中季铵盐水溶液的涂布方法为将原丝放入溶液中浸泡或将季铵盐水溶液雾化后喷雾。

3.根据权利要求1所述的碳纤维生产工艺，其特征在于，所述步骤（3）中初干燥采用卧式干燥炉，干燥温度为80~100℃，干燥温度为25~30 min。

4.根据权利要求1所述的碳纤维生产工艺，其特征在于，所述步骤（4）中预氧化炉连续设置有3个，且3个预氧化炉的温度区间依次分别为180~230 ℃、220~260 ℃、255~265 ℃，经预氧化的原丝由线性分子链转化为梯形结构。

5.根据权利要求1所述的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述步骤（6）中高温碳化中碳化炉内设6个温度区间，分别为1000~1100℃、1050~1200℃、1150~1300℃、1250~1400℃、1350~1500℃和1450~1600℃，经过炭化后，预氧丝内部形成乱层石墨结构，并脱出小分子。

6.根据权利要求4所述的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述3个预氧化炉之间相互连通，且3个预氧化炉内的预氧化时间分别为15~20min、20~30min和25~40min，共65~90 min。

7.根据权利要求5所述的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述6个碳化炉之间连续设置，且相互连通，并且6个碳化炉内的碳化时间分别为3~5min、4~5 min、4~5 min、4~5 min、5~7min和5~8 min，共25~35 min。

8.根据权利要求1~7任一项所述的碳纤维生产工艺，其特征在于：所述步骤（7）中表面处理将干燥清洁炭化丝置于碳酸氢铵中性电解质中，采用5~15 V的电压、20~30 A的电流，用脉冲通电的方法进行表面处理。