[發明專利]聚丙烯腈基碳纖維原絲制備過程中的新牽伸方法

有效

• 申請號: 201310722848.0
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103757725A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 劉瑞剛;徐堅;康宏亮;黃勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: D01D10/06
• 分類號: D01D10/06;D01D11/02;D01D5/12
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技術領域

本發明屬于纖維原絲制備領域，涉及一種在聚丙烯腈基碳纖維原絲制備過程中的新的牽伸方法，具體來說涉及在聚丙烯腈基碳纖維原絲制備過程中采用一步干燥-牽伸工序的方法。?

背景技術

作為一種重要的高性能纖維，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維作為增強材料已廣泛應用于高性能復合材料領域，但是，在提高PAN基碳纖維產品的質量和質量穩定性、產品應用適應性和降低生產成本方面仍需進一步提高。?

由于PAN基碳纖維原絲的質量對最終碳纖維的品質有重大影響，在常規的PAN基碳纖維原絲生產過程中，在水洗和水浴牽伸工序后，通常經過干燥致密化再進行干熱牽伸或加壓蒸汽牽伸，以提高PAN基碳纖維原絲的取向度，有利于在后續的預氧化和碳化工序過程中形成更加有序的石墨結構，最終得到高性能的碳纖維產品。?

常規的PAN基碳纖維原絲的制備工藝流程如附圖1所示。?

通過流程圖1所示的流程制備的PAN基碳纖維原絲，采用干燥致密化→干熱或加壓蒸汽牽伸工藝，PAN結晶在干燥致密化工序中完成，PAN高分子鏈在干燥工藝過程重組，使得在凝固和水洗牽伸工藝過程中形成的微孔閉合，從而形成穩定的PAN準晶態或靜態結構。由于PAN分子中氰基(-CN)具有很強的極性，所以PAN分子間有較強氫鍵，造成PAN晶體的熔融溫度接近于其分解溫度，纖維中PAN的結晶或準晶結構在之后的干熱牽伸過程中不能塑化，因此PAN基碳纖維原絲在干熱牽伸工序過程中最高牽伸倍數在3倍以下，通常為1.5-2.0倍。?

因此，在干熱牽伸工序中，通常通入蒸汽以增加熱箱或熱輥的濕度，使空氣中的水分子進入PAN纖維內部，起到對PAN分子鏈間的塑化作用，從而使PAN纖維的牽伸順利進行。?而在加壓蒸汽牽伸工序中，利用加壓蒸汽對纖維進行加熱，并通過一定的壓力促進水分子進入PAN纖維內部，使PAN分子鏈塑化，達到高倍牽伸的目的。但在上述兩種工藝中，纖維中的PAN均是先形成PAN準晶或結晶，再在后續牽伸工序中對PAN準晶或晶體進行破壞，這樣在PAN基碳纖維內部形成較大的內應力以及形成新的缺陷。特別是在干熱牽伸工藝過程中，牽伸溫度一般在140-180℃。該溫度條件下空氣中的水分的飽和蒸汽壓很低，空氣中的含水率也很低，不足于使PAN分子鏈充分塑化。因此牽伸過程中主要導致PAN結晶區破壞，形成大量應力集中點和缺陷，從而無法通過干熱牽伸工藝實現PAN基碳纖維原絲高倍牽伸。另外，加壓蒸汽牽伸裝置結構復雜、投資高、可操作性差，導致其應用受限。?

本發明在PAN基碳纖維原絲制備工藝中采用了一步干燥-牽伸工序，不但縮短簡化了PAN基碳纖維生產工藝流程，減少設備投資并因此降低生產成本，并且實現了高倍牽伸，提高了PAN基碳纖維的品質和性能。?

發明內容

本發明提供了一種在聚丙烯腈基碳纖維原絲制備過程中的新的牽伸方法，其特征在于：聚丙烯基碳纖維在經過上油工序之后，其無需經過干燥致密化工序，直接進行干燥-牽伸工序，然后進行熱定型工序，即：在上油工序與熱定型工序之間為干燥-牽伸一步工序。?

使用根據本發明的牽伸方法，聚丙烯腈基碳纖維原絲的制備工藝包括如下步驟：聚合、脫單體-脫泡-過濾、紡絲、凝固、水洗牽伸、上油、干燥-牽伸、熱定型、卷繞、得到PAN原絲，具體工序步驟如PAN基碳纖維原絲的制備工藝流程如附圖2所示。?

本發明的方法可用于1K-24K的PAN基碳纖維原絲的生產中，術語“1K”為每一絲束含有1000根單絲。?

在本發明的方法中，纖維在經過上油工序后，通過壓輥碾壓纖維以便除去吸附在PAN纖維絲束中過量的油劑和水分，使PAN纖維的含水率以質量百分比計為大約10-60％，優選大約15-50％，最優選大約20-40％。?

在本發明的方法中，干燥-牽伸工序中工藝溫度范圍為大約110-180℃，優選大約120-170℃，最優選大約125-160℃。溫度控制精度為±10℃，優選±5℃，最優選±2℃。?

在本發明的方法中，在PAN纖維絲束進入該干燥-牽伸工序前對絲束進行鋪展整理，以使絲束中各單根纖維的受熱均勻。絲束鋪展后的厚度為大約0.05-1.0毫米，優選大約0.10-0.75毫米，最優選大約0.10-0.50毫米。?

在本發明的方法中，絲束在干燥牽伸裝置中的停留時間為大約1-20秒，優選大約1-15秒，最優選大約2-10秒。?