CN113969429A - 一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法 - Google Patents

一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法，包括以下步骤：腈纶用聚丙烯腈纺丝原液经喷丝板喷出，丝束进入甬道进行干燥成型，从甬道末端进入稀液进行牵伸定型后再进行水洗牵伸，最后进行热定型。本发明将腈纶用原料通过干法纺丝工艺的调整，能够制备出大丝束碳纤维级别要求的聚丙烯腈原丝，有效降低了大丝束碳纤维的成本。

Description

一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法
技术领域
本发明涉及碳纤维生产中的成本控制，尤其涉及一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法。
背景技术
碳纤维(carbonfiber，CF)是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的纤维材料，在国防军工和民用方面都具有广泛的应用。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。
由于碳纤维的开发开始是以发展航空航天为主，过去复合材料生产主要是为了满足航空航天需要，因此到目前为止，我国碳纤维生产仍以小丝束碳纤维为主。大丝束碳纤维成本明显较低，而在极为重视降低成本复合材料技术的情况下，材料成本是降低生产成本的一一个重要方面，而碳纤维成本又占主要份额，因此对高性能低成本大丝束碳纤维的应开展研究具有重要意义。
根据碳纤维的原材料来源，可将碳纤维细分为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维，其中，粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维的综合性能相比于聚丙烯腈基碳纤维较低，高性能碳纤维多数由聚丙烯腈制得，因此，降低聚丙烯腈成本的前提下制备高性能大丝束碳纤维具有一定的可行性。
发明内容
本发明针对现有高性能大丝束碳纤维成本高的问题，提供一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法，本发明制备出的大丝束碳纤维的规格为30-70k，采用腈纶用聚丙烯腈为原料制备的纺丝原液经干法纺丝工艺制得。腈纶用聚丙烯腈的数均分子量为3-7万，特性粘度为1.2-1.5dL/g，相比于碳纤维用聚丙烯腈，腈纶用聚丙烯腈性能差但成本低，采用本发明的方法可以制备高性能大丝束的聚丙烯腈原丝，该方法为：腈纶用聚丙烯腈纺丝原液经喷丝板喷出，丝束进入甬道进行干燥成型，从甬道末端进入稀液进行牵伸定型后再进行水洗牵伸，最后进行热定型。
在上述方法中，纺丝原液从喷丝板喷出的喷丝速度为2-4.5m/s，进入甬道的高度为5-6m，甬道内的温度为160-390℃；丝束在甬道内加热，溶剂快速挥发后初步定型，从甬道底端直接进入稀液中进行牵伸定型，稀液为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、碳酸丙烯酯、碳酸丙烯酯、硫氰化钠、氯化锌或N-甲基吡咯烷酮的水溶液，浓度为5-30wt％，稀液的温度为6-18℃，牵伸率倍数为1.1-1.6，丝束中的溶剂在稀液中进一步分散，性状进一步稳定；水洗牵伸的目的是将残余的溶剂洗净和进一步定型，水洗温度为45-99℃，牵伸率倍数为6-12；水洗后将丝束进行热定型，最终固定性状，热定型温度为100-150℃，热定型停留时间为10-18s。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种用干法腈纶工艺制备40k高性能大丝束碳纤维原丝的方法，包括以下步骤：
1)甬道定型数均分子量为7万、特性粘度为1.5dL/g的腈纶用聚丙烯腈纺丝原液以3.5m/s的速度经喷丝板喷出，进入长度为5m、温度为390℃的氮气干燥的甬道进行干燥成型；
2)稀液成型成型的丝束从甬道末端进入温度为10℃的稀液进行牵伸定型，牵伸率倍数为1.6，稀液为N,N-二甲基甲酰胺的水溶液，浓度为30wt％；
3)水洗牵伸丝束在稀液中拉伸定型后进行水洗牵伸，水洗温度为99℃，牵伸率倍数为10；
4)热定型水洗牵伸后进行热定型，热定型温度为150℃，热定型停留时间为10s。
实施例2
一种用干法腈纶工艺制备70k高性能大丝束碳纤维原丝的方法，包括以下步骤：
1)甬道定型数均分子量为3万、特性粘度为1.2dL/g的腈纶用聚丙烯腈纺丝原液以2m/s的速度经喷丝板喷出，进入长度为6m、温度为160℃的氮气干燥的甬道进行干燥成型；
2)稀液成型成型的丝束从甬道末端进入温度为18℃的稀液进行牵伸定型，牵伸率倍数为1.1，稀液为二甲基亚砜的水溶液，浓度为20wt％；
3)水洗牵伸丝束在稀液中拉伸定型后进行水洗牵伸，水洗温度为45℃，牵伸率倍数为6；
4)热定型水洗牵伸后进行热定型，热定型温度为100℃，热定型停留时间为18s。
实施例3
一种用干法腈纶工艺制备30k高性能大丝束碳纤维原丝的方法，包括以下步骤：
1)甬道定型数均分子量为5万、特性粘度为1.4dL/g的腈纶用聚丙烯腈纺丝原液以3m/s的速度经喷丝板喷出，进入长度为6m、温度为200℃的氮气干燥的甬道进行干燥成型；
2)稀液成型成型的丝束从甬道末端进入温度为6℃的稀液进行牵伸定型，牵伸率倍数为1.4，稀液为N,N-二甲基乙酰胺的水溶液，浓度为5wt％；
3)水洗牵伸丝束在稀液中拉伸定型后进行水洗牵伸，水洗温度为65℃，牵伸率倍数为8；
4)热定型水洗牵伸后进行热定型，热定型温度为120℃，热定型停留时间为15s。
将实施例1-3所得原丝进行性能检测，结果如表1所示。从表1数据可以看出，实施例1-3所得原丝性能达到了制备碳纤维的级别要求。
表1.实施例1-3所得原丝性能
线密度(g/m) 纤度(dtex) 强度(cN/dtex) 断裂伸长率(％)
实施例1 3.92 0.98 5.44 8.53
实施例2 15.54 2.22 4.06 11.37
实施例3 3.78 1.26 4.95 7.64
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用干法腈纶工艺制备高性能大丝束碳纤维原丝的方法，所述大丝束碳纤维为30-70k规格，其特征在于，包括以下步骤：
1)甬道定型
腈纶用聚丙烯腈纺丝原液经喷丝板喷出，丝束进入甬道进行干燥成型；
2)稀液成型
成型的丝束从甬道末端进入稀液进行牵伸定型；
3)水洗牵伸
丝束在稀液中拉伸定型后进行水洗牵伸；
4)热定型
水洗牵伸后进行热定型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腈纶用聚丙烯腈的数均分子量为3-7万，特性粘度为1.2-1.5dL/g。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷丝板的喷丝速度为2-4.5m/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述甬道长度为5-6m，甬道温度为160-390℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀液为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、碳酸丙烯酯、碳酸丙烯酯、硫氰化钠、氯化锌或N-甲基吡咯烷酮的水溶液，浓度为5-30wt％；所述稀液的温度为6-18℃，牵伸率倍数为1.1-1.6。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水洗温度为45-99℃，牵伸率倍数为6-12。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热定型温度为100-150℃，热定型停留时间为10-18s。
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