[发明专利]一种采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备技术。 

背景技术

高强度碳纤维的主要原料是聚丙烯腈原丝，而聚丙烯腈原丝的质量是碳纤维质量的主要决定因素。丙烯腈均聚物因其结晶度高，溶解性差，纺丝困难，预氧化时放热集中，过程难以控制，因此须通过加入第二单体或第三单体共聚合来解决这一问题，但大量研究都是同时采用丙烯酸酯类和衣康酸类等单体作为共聚单体而制备的三元共聚物。但是三元共聚体系中三对单体的竞聚率参数存在差异，导致大分子链段均匀差、重复性差等缺点，相比而言，二元共聚物的结构控制则要简单很多。 

专利200710056329.X提供的一种多功能共聚单体为衣康酸单甲酯，可同时具有酯基单体和羧基单体的作用，提高了碳纤维性能。 

目前广泛采用的湿法纺丝法制备的聚丙烯腈原丝产量低，纤维表面存在较多沟槽等缺陷，严重制约了碳纤维性能的进一步提高，故纺丝方法越来越趋向于采用干喷湿纺法纺丝，由于干湿纺丝方法是将纺丝液通过喷嘴挤出而进入空气段，然后使其连续地通过凝固浴而形成初生纤维，因此能容易地获得表面平滑，结构致密的纤维原丝，从而 能够制备出强度更高的碳纤维，同时能大幅度提高产量，降低成本。如专利KR870000360B、JP200480002657等所用的干喷湿纺技术一般要求纺丝液具有分子量大、固含量高的特点，这样造成了纺丝液粘度大，流动性差，最终导致可纺丝性不良等问题。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有干喷湿纺技术要求纺丝液分子量大、固含量高，从而造成粘度大、流动性差和可纺丝性不佳等问题，提供一种采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法，该制备方法能对中等分子量和粘度的纺丝液进行纺丝得到性能优良的聚丙烯腈碳纤维原丝。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法，包括如下步骤： 

(1)制备纺丝液： 

(2)将纺丝液通过喷丝头组件进行喷丝；所述喷丝头组件，包括喷丝头及其进料管道，进料管道上设有高压物料输入装置，喷丝头上设有喷丝板，喷丝板上有若干个小孔，小孔的孔径为0.1-0.3mm、长度为0.3-0.9mm，板面厚度3-9mm。所述高压物料输入装置包括缓冲料罐和高压气体产生装置。 

(3)再进行纺丝，得到聚丙烯腈碳纤维原丝。 

在上述采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法中，步骤(1)所述制备纺丝液包括如下步骤：采用丙烯腈和衣康酸衍生物的二元聚合物，聚合物质量浓度为15~25％、衣康酸衍生物占单体质量总数的0.5~5％、聚合物的粘均分子量为10~40万；聚合物经真空度为-10~-101KPa的脱泡釜脱除气泡、残留单体和部分溶剂后，获得温度为30~90℃、固含量为15~25％的纺丝液，过滤。 

在上述采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法中，步骤(2)包括如下步骤：将纺丝液加入缓冲料罐，高压气体产生装置给缓冲料罐内的纺丝液施加0.5-5MPa的气压，喷丝板在高压纺丝液挤出作用下形成干喷湿纺细流，喷出的细流进入温度为-10~60℃、质量浓度为30~90％的二甲基亚砜水溶液中凝固成形，同时加以0.5~4倍的正牵伸成为初生纤维。 

在上述采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法中，步骤(3)包括如下步骤：将初生纤维经过1~5级凝固牵伸机加以3~5倍的预牵伸，然后进入长槽逆流50~90℃的热水中水洗，随后经过1~4级温度为80~100℃的热水牵伸机加以1~4倍的牵伸，之后以质量浓度为0.5~3％的氨改性硅油或环氧改性硅油或聚醚改性硅油进行上油，并通过1~4级温度为100~190℃的蒸汽热辊进行干燥致密化处理，再经过1~3级温度为120~180℃的蒸汽牵伸机加以2~4倍的牵伸，之后通过100~200℃的热定型处理，再经过浓度为0.1~2％的氨改性硅油或环氧改性硅油或聚醚改性硅油进行二次上油，其中，两处所用油剂既可采用同种油剂也可采用不同改性基团改性的油剂。最后经过 1~4级100~150℃的蒸汽热辊烘干后经收丝机收丝，即得聚丙烯腈原丝。 

在上述采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法中，所述衣康酸衍生物中同时具有酯基与羧酸铵盐基团。 

在上述采用干喷湿纺法制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法中，喷丝板距离凝固浴液面的垂直距离为2~30mm。