專利名稱：一種聚丙烯腈基碳纖維的高效制備方法
技術領域：
本發明涉及一種聚丙烯腈基碳纖維的高效制備方法，具體是改變原絲制備過程中的牽伸條件以達到控制生產成本的目的，屬于碳纖維的制備技術領域。
背景技術：
聚丙烯腈基碳纖維是指纖維經過一系列高溫熱處理后得到的含碳量高于92%的纖維，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、尺寸穩定性好等一系列優異性能，屬于典型的高性能碳纖維。碳纖維的制備過程主要包括原絲制備、預氧化和碳化，由于原絲的性能直接影響后續碳纖維的性能，所以說原絲制備工藝的優化是制備高性能碳 纖維的關鍵。目前聚丙烯腈原絲的制備主要通過多次牽伸，以使纖維達到所需纖度及聚集態結構。但這增加了工藝的復雜性，提高了紡絲成本，所以在保證纖維力學性能的同時，優化原絲制備工藝，控制紡絲過程中的牽伸條件，就顯得尤為重要。

發明內容
本發明的目的是提供一種高效制備聚丙烯腈基碳纖維的方法，其特點在于，減少聚丙烯腈溶液紡絲過程的工藝環節，即采用單道牽伸，取消100°c以上的高溫牽伸工藝，干燥致密化和熱定型同步完成，后續熱處理過程采用正常預氧化、碳化工藝，在不改變碳纖維性能的前提下，實現碳纖維低成本生產的目的。一種高效制備聚丙烯腈基碳纖維的方法，包括以下步驟(I)原絲制備①凝固過程由聚丙烯腈紡絲原液轉變為絲條狀絲束的過程，最終生產凝膠結構的絲條，凝固浴為質量濃度60%-75%的二甲基亞砜水溶液，凝固浴溫度控制在25°C—55°C，控制纖維截面形貌以圓形為優。②牽伸過程纖維纖度以及聚集態結構發生變化的過程。采用單道牽伸，牽伸溫度為80°C — IOO0C，牽伸倍數在3. 0—8. O范圍內。③水洗過程去除殘留在絲條中溶劑的過程。控制水洗溫度在60°C—90°C之間。④干燥致密化過程絲條脫除水分、孔洞收縮，達到致密化效果的過程，并實現其與熱定型同步完成。控制干燥溫度為90°C — 130°C。⑵預氧化和碳化先預氧化，然后進行低溫碳化和高溫碳化；預氧化采用二至六溫區梯度升溫，溫度范圍控制在200°C—275°C，通入空氣，每一溫區停留時間為7min — 30min ；低溫碳化采用三至七段式梯度升溫，其溫度控制在300°C — 900°C范圍內，高溫碳化采用二至五段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C—1400°C，在氮氣環境下進行熱處理，最終獲得碳纖維。上述步驟(I)中牽伸過程優選牽伸倍數在4. 0—7. O倍范圍內。上述制備方法的關鍵點在于，減少紡絲過程的工藝環節，即采用單道牽伸，縮減100°C以上的高溫牽伸工藝，干燥致密化和熱定型同步完成，在不改變碳纖維性能的前提下，實現碳纖維低成本生產的目的。而其他工序步驟為本領域的常規步驟。本發明制備方法簡單，通過減少紡絲過程的工藝環節，使其生產時間減少，生產成本降低，同時碳纖維的性能與現有工藝生產的碳纖維性能相當。
具體實施例方式本發明對不同牽伸次數的碳纖維進行力學性能測試。下面通過實施例對本發明進行具體描述，但本發明不限于以下實施例。在現有的聚丙烯腈基碳纖維的制備方法基礎上，減少紡絲過程的工藝環節，即采用單道牽伸，縮減1 00°c以上的高溫牽伸工藝，干燥致密化和熱定型同步完成，在不改變碳纖維性能的前提下，實現碳纖維低成本生產的目的。而其他工序步驟為本領域的常規步驟。對比例I采用常規紡絲工藝凝固浴溫度45°C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，質量濃度65% ;在100°C溫度下進行牽伸，牽伸倍數為3. O ;水洗溫度為60°C—90°C ;經過110°C熱輥干燥后，再在140°C過飽和蒸汽下進行1.8倍牽伸，熱定型溫度為150°C，制得PAN原絲。預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min，控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、68(TC，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為
3.54GPa。實施例I凝固浴溫度45 °C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，質量濃度65% ;在95 °C溫度下進行
4.O倍牽伸；水洗溫度為60°C—90°C ;在1101下進行熱輥干燥、熱定型后，制得PAN原絲。預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min，控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、68(TC，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為3. 5 IGPaο實施例2凝固浴溫度45°C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，濃度65% ;在98°C溫度下進行5. O倍牽伸；水洗溫度為60°C -90°C ;在110°C下進行熱輥干燥、熱定型后，制得PAN原絲。預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min，控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、68(TC，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為3. 56GPa0實施例3凝固浴溫度45°C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，濃度65% ;在100°C溫度下進行5. 5倍牽伸；水洗溫度為60°C—90°C ;在110°C下進行熱輥干燥、熱定型后，制得PAN原絲。預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min，控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、68(TC，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為
3.87GPa。
實施例4凝固浴溫度45°C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，濃度65% ;在100°C溫度下進行6. O倍牽伸；水洗溫度為60°C—90°C ;在110°C下進行熱輥干燥、熱定型后，制得PAN原絲。預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min，控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、68(TC，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為
3.74GPa。實施例5凝固浴溫度45°C，凝固浴為二甲基亞砜水溶液，濃度65% ;在100°C溫度下進行7. O倍牽伸；水洗溫度為60°C -90°C ;在110°C下進行熱輥干燥、熱定型后，制得PAN原絲。 預氧化采用六溫區梯度升溫，溫度從200°C升溫至265°C，每一溫區停留時間約15min,控制合適張力；低溫碳化采用三段式梯度升溫，其溫度分別為350°C、450°C、680°C，高溫碳化采用兩段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C — 1400°C。IK碳纖維拉伸強度為
4.02GPa。
權利要求
1.一種高效制備聚丙烯腈基碳纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟 ⑴原絲制備 ①凝固過程由聚丙烯腈紡絲原液轉變為絲條狀絲束的過程，最終生產凝膠結構的絲條，凝固浴為質量濃度60% — 75%的ニ甲基亞砜水溶液，凝固浴溫度控制在25°C—55°C ； ②牽伸過程采用單道牽伸，牽伸溫度為80°C— 100°C，牽伸倍數在3. 0—8. 0范圍內； ③水洗過程控制水洗溫度在60°C—90°C之間； ④干燥致密化過程與熱定型過程同步完成，控制干燥溫度為90°C— 130°C ； ⑵預氧化和碳化先預氧化，然后進行低溫碳化和高溫碳化； 預氧化采用ニ至六溫區梯度升溫，溫度范圍控制在200°C—275°C，通入空氣，每ー溫區停留時間為7min—30min ； 低溫碳化采用三至七段式梯度升溫，其溫度控制在300°C — 900°C范圍內，高溫碳化采用ニ至五段式梯度升溫，溫度范圍控制在1200°C—1400°C，在氮氣環境下進行熱處理，最終獲得碳纖維。
2.按照權利要求I的方法，其特征在于，凝固過程控制纖維截面形貌為圓形。
3.按照權利要求I的方法，其特征在干，牽伸過程中牽伸倍數為4.0-7. 0倍。
全文摘要
一種聚丙烯腈基碳纖維的高效制備方法，屬于碳纖維的制備技術領域。特點在于，減少聚丙烯腈溶液紡絲過程的工藝環節，即采用單道牽伸，取消100℃以上的高溫牽伸工藝，控制牽伸溫度為80℃—100℃，牽伸倍數在3.0—8.0范圍內，干燥致密化和熱定型同步完成；后續熱處理過程采用正常預氧化、碳化工藝，在不改變碳纖維性能的前提下，實現碳纖維低成本生產的目的。本發明制備方法簡單，生產時間減少，生產成本降低。
文檔編號D01F9/22GK102758272SQ20121024892
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者徐樑華, 曹維宇, 李常清, 王宇, 童元建, 袁俊崧, 趙振文 申請人:北京化工大學