[发明专利]一种碳纤维生产工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维生产工艺。

背景技术

碳纤维是由碳元素构成的无机纤维。纤维的碳含量大于90%。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。而在预氧化和氧化过程中，由于PAN基会发生化学反应失去大量小分子，因此原丝的结构发生变化，强度大幅降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维生产工艺，能够保证预氧化后丝的强度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纤维生产工艺，包括如下步骤：

步骤一，退丝，把原丝送往下一步；

步骤二，集线，将上一步出来的原丝经集线板分束送往下一步；

步骤三，干燥，将上一步出来的原丝经卧式干燥炉烘干；

步骤四，预氧化，将上一步出来的原丝在氧化炉中于240℃下恒温氧化100min，得到预氧丝，过程中对原丝两端施加牵伸力；

步骤五，低温炭化，将预氧丝在炭化炉中于500℃下恒温30min，再以1500℃下恒温30min得到碳纤维，过程中对原丝两端施加牵伸力；

步骤六，表面处理，使用阳极电极氧化法，用脉冲通电的方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和生产含氧官能团；

步骤七，水洗，将表面处理后的碳纤维在50℃水洗，再以100℃干燥；

步骤八，上浆，采用浸渍法使每根碳纤维单丝上附着上浆剂；

步骤九，干燥，在立式干燥炉中于180℃恒温干燥，得到碳纤维。

所述退丝工序中，用耐热纤维将新丝与旧丝连接起来，旧丝指已走完的丝，新丝指尚未走的丝。

所述表面处理工序中，通电电压为10V，形成25A的电流，采用碳酸氢铵作为电解质。

本发明与现有技术相比，在预氧化过程中用牵伸力保证了丝的结构不发生解取向，因此能够保证氧化丝的强度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详尽的说明。

本发明为一种碳纤维生产工艺，包括如下步骤：

步骤一，退丝，把原丝送往下一步，原丝走完后，用耐热纤维将新丝与旧丝连接起来，旧丝指已走完的丝，新丝指尚未走的丝；

步骤二，集线，将上一步出来的原丝经集线板分束送往下一步；

步骤三，干燥，从退丝过来的原丝含有大量的水分，需要经卧式干燥炉烘干；

步骤四，预氧化，将上一步出来的原丝在氧化炉中于240℃下恒温氧化100min，得到预氧丝，过程中对原丝两端施加牵伸力，保证了丝的结构不发生解取向，以σ链为主的直链结构形成大量的离域π离子，形成生色的共轭结构；

步骤五，低温炭化，将预氧丝在炭化炉中于500℃下恒温30min，再以1500℃下恒温30min形成乱层石墨结构，并脱出一些小分子，得到碳纤维，该步骤也应给与一定的牵伸力，以保证结构的取向度；

步骤六，表面处理，使用阳极电极氧化法，用脉冲通电的方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和生产含氧官能团，通电电压为10V，形成25A的电流，采用碳酸氢铵作为电解质。；

步骤七，水洗，将表面处理后的碳纤维在50℃水洗，再以100℃干燥；

步骤八，上浆，采用浸渍法使每根碳纤维单丝上附着上浆剂，上浆后，碳丝的表面能够形成一层皮膜，增强了集束性和耐磨性，深加工中的起毛现象减少，并且碳纤维的吸水性见效，稳定性更好；

步骤九，干燥，在立式干燥炉中于180℃恒温干燥，得到碳纤维。