CN114687011A - 一种低成本碳纤维原丝的制备方法 - Google Patents

一种低成本碳纤维原丝的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114687011A
CN114687011A CN202210485021.1A CN202210485021A CN114687011A CN 114687011 A CN114687011 A CN 114687011A CN 202210485021 A CN202210485021 A CN 202210485021A CN 114687011 A CN114687011 A CN 114687011A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spinning
raw materials
carbon fiber
solution
polyacrylonitrile
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
CN202210485021.1A
Other languages
English (en)
Inventor
聂飞
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.)
Guangzhou Carbon Plus Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Carbon Plus Technology Co ltd
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 Guangzhou Carbon Plus Technology Co ltd filed Critical Guangzhou Carbon Plus Technology Co ltd
Priority to CN202210485021.1A priority Critical patent/CN114687011A/zh
Publication of CN114687011A publication Critical patent/CN114687011A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

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
    • 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
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10—Other agents for modifying properties

Landscapes

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

Abstract

本发明公开了一种低成本碳纤维原丝的制备方法，涉及新型碳材料、纤维材料技术领域，本发明包括如下步骤：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料；原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝。本发明以植物碳晶与聚丙烯腈为原料按一定比例调配，二甲基亚砜为溶剂的溶液，经交联改性得到一种粘弹性良好、均一性良好、氰基与植物碳晶充分交联的低成本纺丝原液。这种纺丝原液成本低廉，既具有沥青基碳纤维的高弹性模量又具有聚丙烯腈基碳纤维的高抗拉强度。

Description

一种低成本碳纤维原丝的制备方法
技术领域
本发明涉及新型碳材料、纤维材料技术领域，尤其涉及一种低成本碳纤维原丝的制备方法。
背景技术
碳纤维指的是含碳量在95％以上，高强度、高模量纤维的一种新兴纤维材料。它具有诸多的优越性能，除优异的力学性能外，碳纤维还兼具低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性强、电磁屏蔽性好等诸多优良性能，因而被称为先进复合材料中最重要的增强材料，地位举足轻重。被喻为“黑色黄金”号称新材料之王。自上世纪70年代，碳纤维在航天航空领域应用以来，其应用潜力受到各国高度重视。目前全球碳纤维需求主要分为三大类：航天航空、消费和娱乐、能源和工业。其中，工业领域应用近年来增速明显。
可以制备碳纤维的材料包括聚丙烯腈、沥青、粘胶纤维等。纺丝工艺有溶液纺丝、熔融纺丝、静电纺丝。聚丙烯腈基碳纤维普遍强度较高，沥青基碳纤维普遍模量较高，粘胶基碳纤维耐烧蚀性能好。无论采用哪种原料、何种纺丝工艺生产出的碳纤维价格都较高，而用量最大、范围最广的能源和工业领域只能望价兴叹，为此我们提出一种低成本碳纤维原丝的制备方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种低成本碳纤维原丝的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低成本碳纤维原丝的制备方法，包括如下步骤：
原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料；
原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；
交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；
纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝。
优选地，所述植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子。
优选地，所述聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈。
优选地，原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；
原料纯化为：将植物碳晶粉碎成30～120目，并在80～150℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为30～50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为15～25％溶液。
优选地，原料调配为：将浓度为30～50％溶液和浓度为15～25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为2～6：4～8混合并在50～80℃下充分搅拌均匀。
优选地，交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液，交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在100～180℃下热处理1～8小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s。
优选地，纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝，所述纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝。
优选地，纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明以植物碳晶与聚丙烯腈为原料按一定比例调配，二甲基亚砜为溶剂的溶液，经交联改性得到一种粘弹性良好、均一性良好、氰基与植物碳晶充分交联的低成本纺丝原液。这种纺丝原液成本低廉，既具有沥青基碳纤维的高弹性模量又具有聚丙烯腈基碳纤维的高抗拉强度。
2、本发明利用植物碳晶与聚丙烯腈交联共聚改性制备的碳纤维产品质量也得到很大的改善，碳纤维产品的弹性模量、导电性、导热性大大增加，而拉伸强度略比聚丙烯腈基碳纤维低。非常符合能源和工业领域的需求。根据用途的不同，可在一定范围内调节碳纤维的质量指标和成本价格。
附图说明
图1为本发明提出的一种低成本碳纤维原丝的制备方法的工艺流程示意图；
图2为本发明提出的一种低成本碳纤维原丝的制备方法的整体流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
参照图1-2，一种低成本碳纤维原丝的制备方法，包括如下步骤：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
植物碳晶(PL)原料易得，并可再生，且价格便宜(4000元/吨)，约为丙烯腈价格的1/3。植物碳晶含碳量(70～75％)高于聚丙烯腈(67.9％)，纺制的碳纤维原丝炭化得率高。一般聚丙烯腈基原丝炭化得率～50％，植物碳晶PL/聚丙烯腈PAN交联改性原丝炭化得率>52％。
植物碳晶(PL)分子中存在大量的酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基等活性基团，易与聚丙烯腈分子中的氰基接枝改性，使氰基环化放热部分提前，且植物碳晶含氧量高，有利于预氧化工序顺利进行且产品质量提高。
植物碳晶(PL)分子中存在大量的芳香基，当植物碳晶与聚丙烯腈交联改性后，纺丝原液中引入了大量的芳香基，纺制的碳纤维弹性模量高，拉伸强度适中，导电和导热性能良好。
植物碳晶(PL)在二甲基亚砜(DMSO)中的溶解度很高，可配成50％浓度的溶液。与聚丙烯腈交联改性后的纺丝液固含量可达到最大为35.7％(其中聚丙烯腈含量为14.3％),大大地减小了二甲基亚砜(DMSO)的用量，优化了纺丝工艺参数，从而降低了纺丝成本。
聚丙烯腈溶液法纺丝制备碳纤维成本构成为：原丝占碳纤维成本的60％，预氧化占碳纤维成本的15％，炭化占碳纤维成本的25％。原丝的生产成本约为2.8万元/吨。
植物碳晶与聚丙烯腈交联共聚改性制备的碳纤维纺丝原液，原丝的生产成本可降为1.8万元/吨以下，原丝占碳纤维成本由60％下降为38.6％，下降了21.4％。如考虑到优化了预氧化工序及炭化得率的提高，碳纤维总体成本可下降25％以上。
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成30～120目，并在80～150℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为30～50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为15～25％溶液；原料调配为：将浓度为30～50％溶液和浓度为15～25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为2～6：4～8混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在100～180℃下热处理1～8小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
实施例1：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成120目，并在120℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为25％溶液；原料调配为：将浓度为50％溶液和浓度为25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为2：8混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在150℃下热处理2小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
制备的碳纤维原丝性能及成本如表1所示：
表1碳纤维原丝性能及成本
项目 数值
拉伸强度(GP) 0.70
弹性模量(GP) 10.75
断裂伸长率(％) 12.23
丝径(微米) 12
成本(万元/吨) 2
预氧化、炭化后碳纤维性能如表2所示：
表2碳纤维性能
项目 数值
拉伸强度(GP) 4.5
弹性模量(GP) 240
断裂伸长率(％) 1.9
丝径(微米) 7
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.78
热导率(Cal/cm.s.℃) 0.032
电阻(欧姆.cm) 1.5*10<sup>-3</sup>
实施例2：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成120目，并在120℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为25％溶液；原料调配为：将浓度为50％溶液和浓度为25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为3：7混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在150℃下热处理2小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
制备的碳纤维原丝性能及成本如表3所示：
表3碳纤维原丝性能及成本
项目 数值
拉伸强度(GP) 0.65
弹性模量(GP) 11.55
断裂伸长率(％) 12.11
丝径(微米) 12
成本(万元/吨) 1.88
预氧化、炭化后碳纤维性能如表4所示：
表4碳纤维性能
项目 数值
拉伸强度(GP) 4.3
弹性模量(GP) 255
断裂伸长率(％) 1.8
丝径(微米) 7
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.79
热导率(Cal/cm.s.℃) 0.056
电阻(欧姆.cm) 1.4*10<sup>-3</sup>
实施例3：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成120目，并在120℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为25％溶液；原料调配为：将浓度为50％溶液和浓度为25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为4：5混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在150℃下热处理2小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
制备的碳纤维原丝性能及成本如表5所示：
表5碳纤维原丝性能及成本
项目 数值
拉伸强度(GP) 0.63
弹性模量(GP) 12.15
断裂伸长率(％) 11.95
丝径(微米) 12
成本(万元/吨) 1.74
预氧化、炭化后碳纤维性能如表6所示：
表6碳纤维性能
项目 数值
拉伸强度(GP) 3.9
弹性模量(GP) 275
断裂伸长率(％) 1.8
丝径(微米) 7
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.79
热导率(Cal/cm.s.℃) 0.095
电阻(欧姆.cm) 1.1*10<sup>-3</sup>
实施例4：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成120目，并在120℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为25％溶液；原料调配为：将浓度为50％溶液和浓度为25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为5：5混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在150℃下热处理2小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
制备的碳纤维原丝性能及成本如表7所示：
表7碳纤维原丝性能及成本
Figure BDA0003628863810000121
Figure BDA0003628863810000131
预氧化、炭化后碳纤维性能如下表：
表8碳纤维性能
项目 数值
拉伸强度(GP) 3.65
弹性模量(GP) 300
断裂伸长率(％) 1.7
丝径(微米) 7
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.79
热导率(Cal/cm.s.℃) 0.105
电阻(欧姆.cm) 1.0*10<sup>-3</sup>
实施例5：
S1：原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料，植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子；聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈；
S2：原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；原料纯化为：将植物碳晶粉碎成120目，并在120℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为25％溶液；原料调配为：将浓度为50％溶液和浓度为25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为6：4混合并在50～80℃下充分搅拌均匀；
S3：交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在150℃下热处理2小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s；
S4：纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝；纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝；纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
制备的碳纤维原丝性能及成本如表9所示：
表9碳纤维原丝性能及成本
项目 数值
拉伸强度(GP) 0.55
弹性模量(GP) 14.25
断裂伸长率(％) 9.75
丝径(微米) 12
成本(万元/吨) 1.46
预氧化、炭化后碳纤维性能如表10所示：
表10碳纤维性能
Figure BDA0003628863810000141
Figure BDA0003628863810000151
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
原料筛选：筛选植物碳晶与聚丙烯腈原料；
原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；
交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液；
纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝。
2.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述植物碳晶是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中C元素含量为：70～75％，H元素含量为：6～8％，O元素含量为：15～20％，N元素含量为：0.1％～0.3％，分子中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基活性基团，加热时缩聚成高分子。
3.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈是丙烯腈聚合或者分子量为70000～150000的共聚聚丙烯腈。
4.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，原料纯化调配：利用植物碳晶与聚丙烯腈原纯化、调配工艺对原料进行纯化调配操作；
原料纯化为：将植物碳晶粉碎成30～120目，并在80～150℃下溶于二甲基亚砜配制成浓度为30～50％溶液，然后用300目滤网过滤备用；聚丙烯腈用二甲基亚砜配制成浓度为15～25％溶液。
5.根据权利要求4所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，原料调配为：将浓度为30～50％溶液和浓度为15～25％溶液按植物碳晶：聚丙烯腈的重量比为2～6：4～8混合并在50～80℃下充分搅拌均匀。
6.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，交联改性：对纯化调配后的原料利用交联改性工艺进行交联改性操作，得到纺丝液，交联改性工艺为：将混合均匀的溶液在100～180℃下热处理1～8小时，控制纺丝液粘度在20～80mm2/s。
7.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，纺丝：对纺丝液利用纺丝工艺进行纺丝操作，制得碳纤维原丝，所述纺丝工艺为：将交联改性的纺丝液脱单、脱泡、过滤后按照纺丝条件并用孔径为60微米的喷丝板进行纺丝。
8.根据权利要求7所述的一种低成本碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，纺丝条件如下：
纺丝温度：55～75℃；纺丝孔径：60微米；凝固浴：温度40～60℃，浓度30～70％；喷头牵伸比：0.9；一道水浴牵伸：牵伸倍数1.5，水浴温度45～75℃；二道沸水牵伸：牵伸倍数4，温度100℃；总牵伸倍数：6。
CN202210485021.1A 2022-05-06 2022-05-06 一种低成本碳纤维原丝的制备方法 Pending CN114687011A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210485021.1A CN114687011A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种低成本碳纤维原丝的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210485021.1A CN114687011A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种低成本碳纤维原丝的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114687011A true CN114687011A (zh) 2022-07-01

Family

ID=82144393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210485021.1A Pending CN114687011A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种低成本碳纤维原丝的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114687011A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11124742A (ja) * 1997-10-24 1999-05-11 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 炭素繊維の製造法
CN102277644A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 东华大学 一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝及制备方法
CN102534870A (zh) * 2011-12-29 2012-07-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纤维的制备方法
CN104153027A (zh) * 2013-05-13 2014-11-19 北京化工大学 一种共混法制备高性能碳纤维原丝的方法
CN105442096A (zh) * 2015-12-14 2016-03-30 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种降低聚丙烯腈基碳纤维石墨化温度的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11124742A (ja) * 1997-10-24 1999-05-11 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 炭素繊維の製造法
CN102277644A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 东华大学 一种酚醛树脂改性的聚丙烯腈基原丝及制备方法
CN102534870A (zh) * 2011-12-29 2012-07-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纤维的制备方法
CN104153027A (zh) * 2013-05-13 2014-11-19 北京化工大学 一种共混法制备高性能碳纤维原丝的方法
CN105442096A (zh) * 2015-12-14 2016-03-30 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种降低聚丙烯腈基碳纤维石墨化温度的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
葛铁军等: "碳晶的制备与表征及在碳晶板中的发热机理研究", 《沈阳化工大学学报》, vol. 32, no. 2, pages 107 - 112 *
郭定和等: "催化剂对螺旋形碳晶须生长的影响", 《功能材料与器件学报》, vol. 10, no. 1, pages 49 - 53 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109023594B (zh) 超高强度、中高模量属性的聚丙烯腈碳纤维及其制备方法
EP3767018B1 (en) Preparation process for and use of super-high-count pi-psa electrospun fiber long-staple yarn
CN111139554B (zh) 高浸透性聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法
CN102517671A (zh) 水相悬浮和溶液聚合两步法制备碳纤维原丝的方法
KR20140002991A (ko) 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법
CN108611704A (zh) 一种纳米碳纤维及其制备方法
CN113321803A (zh) 一种杂环芳纶纺丝原液的改性方法、改性杂环芳纶纺丝原液及应用
CN112226851B (zh) 聚丙烯腈基碳纤维的制备方法
JP2007291557A (ja) 炭素繊維およびその製造方法
CN114687011A (zh) 一种低成本碳纤维原丝的制备方法
CN111910287A (zh) 一种褐藻酸钠改性的再生抗菌阻燃聚酯复合纤维的制备方法
CN1255585C (zh) 纤维素基碳纤维的前体纤维的制备方法
CN103014902B (zh) 一种聚酰亚胺纤维及其制备方法
KR102043621B1 (ko) 방사성이 향상된 리그닌을 이용한 탄소섬유 및 이의 제조방법
Zhang et al. Preparation and formation mechanism analysis of regenerated silk fibroin/polyvinyl alcohol blended fibers with waste silk quilt
JP2011026731A (ja) 炭素繊維製造用プリカーサーの製造方法
TWI643988B (zh) 利用生質原料轉化生質複合碳纖維之方法
CN110644075B (zh) 一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法
CN113737310A (zh) 一种石墨烯聚酰亚胺复合纤维及其制备方法
JP2012193465A (ja) 炭素繊維用アクリル系前駆体繊維、その製造方法、及びその前駆体繊維から得られる炭素繊維
CN107151833B (zh) 一种聚酰亚胺微细旦纤维及其制备方法
CN113373540B (zh) 一种聚丙烯腈纤维及其制备方法
CN114479070A (zh) 一种聚酰胺酸和其聚酰亚胺纤维及其制备方法
CN115506050B (zh) 一种48k碳纤维原丝的制备方法、48k碳纤维原丝及48k碳纤维
CN104195666A (zh) 一种基于邻甲基芳酰胺酰亚胺化制备聚酰亚胺纤维的方法

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