CN113846386B - 一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，该方法为以干湿法生产的聚丙烯腈纤维在烘干过程中以160‑220℃的高温条件在一区与二区对聚丙烯腈丝束进行加热，至纤维的玻璃化转变温度，再经过三至五区实现干燥致密，在烘干过程中同时以整体1.0‑4.0倍的驱动牵伸比保持不变，前后区牵伸比存在差异的方式对纤维丝束进行拉伸，实现原丝致密化与取向同步，获得的原丝结晶度在85‑95％，单丝直径6‑12um，原丝取向度90‑96％，经碳化后拉伸强度可达到4900‑5520MPa，拉伸模量在250‑330GPa。

Description

一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法
技术领域
本发明涉及高性能碳纤维制备领域，是一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法。
背景技术
优异性能的碳纤维原丝具有耐热性高、孔隙构造少、结构致密、取向度高及拉升性能好等优势。烘干过程工艺条件的控制对纤维的内部结构和拉伸取向起着决定性作用。干湿法纺丝作为一种先进的碳纤维制造方法，避免了干法纺丝中溶剂残留在热处理阶段易使纤维产生缺陷的问题，也克服了湿法纺丝因凝固浴双扩散和流体阻力因素而纺速低的问题。烘干过程技术的控制与改进配合干湿法纺丝易得到高强度、高取向、表面光滑、孔洞少、直径小、皮芯差异小的原丝，是制备高性能碳纤维原丝的有效方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是碳纤维原丝制造过程中结构致密化不均匀、孔隙多，表面裂纹及取向度差和强度低的问题。
本发明提供一种实现原丝致密化与取向同步的方法，以改善碳纤维原丝的结构和性能，并提高原丝碳化后的强度和模量。
一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，该方法将干湿法制备的碳纤维原丝在烘干工段进行分区处理，在不同的区域中通过梯度升温和整体牵伸比不变但前后区域的牵伸比差异化的方式，确保纤维的玻璃化转变过程和拉伸取向具有渐进顺序，用于提高原丝结构致密化均匀、取向度。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：1、采用先进的干喷湿纺技术经多级水洗及热水牵伸，聚丙烯腈原丝中溶剂残留量几乎为零，可使纤维内部的孔洞结构减少50-60％，并具有初步的取向度，而经过油剂浸润的聚丙烯腈纤维可承受烘干过程中160-220℃的高温条件，在达到纤维的玻璃化转变温度后继续烘干并以整体1.0-4.0倍的驱动牵伸比保持不变，但前后区牵伸比存在差异的方式对纤维丝束进行拉伸取向，获得致密化与取向同步，经碳化后模量和强度均较高的碳纤维原丝；2、烘干过程中碳纤维原丝已同步实现了均匀的致密化结构与高取向度，不再需要蒸汽牵伸过程的处理，获得原丝可直接经碳化使用
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步说明
本发明提供一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法的具体实施方案，具体为：
将经过脱泡、过滤处理的聚丙烯原液以干湿法的方式经喷丝板挤压出浆后在2-10mm的空气层中表面结晶，再经过脱盐水与亚砜以25-38％浓度配比的0-15℃的凝固浴中冷却成型，获得聚丙烯腈初生纤维。
以1.0-1.5倍的牵伸比将初生纤维牵引至多级水洗工段用新鲜脱盐水逆流洗涤，除去表面残留的溶剂，再经过62-79℃热水牵使纤维丝束具有初步取向后用1.5-2.2％的改性硅油浸润减少热处理阶段粘丝与并丝问题。
在烘干工段使纤维丝束缠绕在160-220℃的每区3-10个的多组辊筒上，每一区的烘干滚筒温度设置不同，同一区的各个辊筒一5-10℃梯度式递增，并以一区和二区为2.0-4.0的牵伸比，三至五区为1.0-2.0倍但整体牵伸比保持1.0-4.0倍不变的方式通过高温烘干辊筒，进行烘干和拉伸可直接获得致密化与取向同步的碳纤维原丝。
纤维丝束经过烘干蒸汽伴热的辊筒时，从金属辊筒表面绕过不直接与蒸汽接触，蒸汽达到加热效果后产生的冷凝水可以被回收利用，又减少了蒸牵工段，蒸汽用量相应减少，节约能源。
实施例1
烘干工段不设梯度化的辊筒温度，和前后区又差异的牵伸比，而是整体将烘干区所有辊筒温度统一设定为180℃，五个区的牵伸比设定为2.0倍均匀牵伸，使丝束穿过烘干区，此时原丝结晶度为60％，纤维表面有轻微裂纹及明显毛丝，内部孔隙率为33％，取向度仅为65％。
后再经过0.5MPa蒸汽直接接触，温度为170℃的蒸汽牵伸，获得的原丝结晶度相比于烘干后仅提高5％，纤维表面仍有轻微裂纹但毛丝状况略有改善，内部孔隙率为30％，取向度为相比于烘干后仅提高7％，但每24小时的蒸汽用量多增加50t，纤维直径11.5um，原丝经碳化，碳丝拉伸强度在4600MPa，拉伸模量在220GPa
实施例2
以170℃为初始温度，每一区以20℃温度递增，每一辊筒温度又以10℃递增，烘干一区和二区的驱动牵伸比为2.0倍，三至五区的牵伸比为1.0倍时，获得原丝原丝结晶度为85％，纤维表面有轻微裂纹及毛丝，内部孔隙率为20％，取向度为90％，纤维直径11.5um，获得的原丝经碳化，碳丝拉伸强度可达到4900MPa，拉伸模量在250GPa。
实施例3
以190℃为初始温度，每一区以15℃温度递增，每一辊筒温度又以8℃递增，烘干一区和二区的驱动牵伸比为3.0倍，三至五区的牵伸比为1.5倍时，获得原丝结晶度为88％，纤维表面无裂纹，有极少量的毛丝，内部孔隙率为10％，取向度为93％，纤维直径8um，获得的原丝经碳化，碳丝拉伸强度可达到5200MPa，拉伸模量在300GPa。
实施例4
以210℃为初始温度，每一区以10℃温度递增，每一辊筒温度又以5℃递增，烘干一区和二区的驱动牵伸比为4.0倍，三至五区的牵伸比为2.0倍时，原丝结晶度为95％，纤维表面光滑无毛丝和裂纹，内部孔隙率仅为2％，取向度为96％，纤维直径6um，获得的原丝经碳化，碳丝拉伸强度可达到5500MPa，拉伸模量在330GPa。
上述具体实施例对本发明作了具体的描述，但是必须指出的是，本发明的所包含的内容并不局限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以对本发明作出各种修改、替换和变化，这些等同形式同样属于本权利要求书的限定范围。

Claims (6)

1.一种实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，其特征在于：该方法为将干湿法制备的碳纤维原丝在烘干工段进行分区处理，在不同的区域中通过梯度升温和整体牵伸比不变但前后区域的牵伸比差异化的方式，确保纤维的玻璃化转变过程和拉伸取向具有渐进顺序，用于提高原丝结构致密化均匀、取向度；
烘干工段的具体设置为：共分为五个区；
在一区和二区可将聚丙烯腈纤维加热至其玻璃化转变温度，纤维再经过三至五区高温辊筒后可实现致密化状态；
以170℃为初始温度，每一区以20℃温度递增，每一辊筒温度又以10℃递增，烘干一区和二区的驱动牵伸比为2.0倍，三至五区的牵伸比为1.0倍时；每一区由3-10个辊筒组成，每一辊筒均具有160-220℃的蒸汽伴热。
2.根据权利要求1所述的实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，其特征在于，纤维丝束经过烘干蒸汽伴热的辊筒时，从金属辊筒表面绕过不直接与蒸汽接触；蒸汽达到加热效果后产生的冷凝水被回收利用。
3.根据权利要求1所述的实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，其特征在于，进入烘干过程的聚丙烯腈纤维是以干湿法的方式获得的，聚丙烯腈原液经喷丝板挤出后在2-10mm的空气层中表面结晶，并在浓度配比25-38%的0-15℃的凝固浴中冷却成型获得初生纤维。
4.根据权利要求3所述的实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，其特征在于，所述凝固浴溶剂为乙醇、脱盐水或甲醇中的一种，溶质为二甲基酰胺或二甲基亚砜。
5.根据权利要求3所述的实现碳纤维原丝致密化与取向同步的方法，其特征在于，初生纤维经脱盐水多级逆流洗涤和热水牵伸后，需用改性硅油浸润，以使纤维在烘干工段具有耐高温的性能。
6.一种基于权利要求1-5任一项方法制得的碳纤维，其特征在于，原丝结晶度为85%，纤维表面有轻微裂纹及毛丝，内部孔隙率为20%，取向度为90%，纤维直径11.5um，获得的原丝经碳化，碳丝拉伸强度可达到4900MPa，拉伸模量在250GPa。
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