[发明专利]碳纤维生产用纺丝及凝固装置及碳纤维原丝生产装置

说明书

本申请公开了一种碳纤维生产用纺丝及凝固装置及碳纤维原丝生产装置，包括凝固浴槽和可更换的原液输送组件；原液输送组件包括总原液管、可更换地安装在总原液管上的纺丝计量泵、同时连接到总原液管输出端的干喷湿纺原液管线和湿纺原液管线；干喷湿纺原液管线和湿纺原液管线上分别安装有阀门；湿纺原液管线的输出端连接有通过纺丝臂提升的且伸入凝固浴槽内的湿法喷丝头；干喷湿纺原液管线的输出端连接有通过提升装置提升且位于凝固浴槽上方的干喷湿纺喷丝头。本申请的技术方案既可以减少设备及场地的成本投资，又可以增加生产的灵活性，极大的提高了碳纤维生产的效率。

技术领域

本公开一般涉及碳纤维生产技术，具体涉及碳纤维生产用纺丝及凝固装置及碳纤维原丝生产装置。

背景技术

碳纤维是含碳量大于90％的纤维材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀性强等特性，广泛应用于航空航天、国防军工等战略行业以及高端工业和民用领域，是新一代军民两用、影响未来科技发展水平的战略新型材料。其中聚丙烯腈基碳纤维是发展最为迅速的一种无机功能性材料。

聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产目前主流的生产方式分为干喷湿法、湿法纺丝两种，它们共同的特点是在纺丝过程中的调控参数众多，残留溶剂量很少，可纺出高强度、高取向度、高密度的优质聚丙烯腈基原丝，适用于大规模生产，生产技术成熟。干喷湿法纺丝方式生产的聚丙烯腈基碳纤维原丝经碳化后成为干喷湿纺聚丙烯腈基碳纤维，湿法纺丝方式生产的聚丙烯腈基碳纤维原丝经碳化后成为湿法聚丙烯腈基碳纤维。干喷湿纺聚丙烯腈基碳纤维及湿法聚丙烯腈基碳纤维各具特色。

干喷湿纺聚丙烯腈基碳纤维为干喷湿纺聚丙烯腈基碳纤维原丝生产。

干喷湿法纺丝过程中在干段可以施加一定倍数的正向牵伸，设计纺速最高可达400m/min，可以大幅度提高原丝生产效率，有效降低成本；

干喷湿纺中，聚合液由喷丝板喷丝孔喷出，先经过1-5mm的空气层后，进入凝固浴中形成丝条。喷出的聚合液细流经过空气层时，其中的溶剂迅速挥发，会在其表面形成一层薄薄的致密层，并且由于干喷湿纺在干段的正向牵伸，在单轴向应力作用下，逐步被拉伸细旦化，使聚合液细流进入凝固浴之前膨胀体基本消失，具有致密表皮的细流进入凝固浴后最终形成凝胶丝条。因此干喷湿纺纺出的原丝和所制备的碳纤维表面较平滑无沟槽。

干喷湿纺可以制得高致密度、高取向度、高结构均质化、表面光滑的碳纤维原丝，进而可以制得高性能的聚丙烯腈基碳纤维。

干喷湿纺碳纤维由于表面光滑无明显沟槽，导致树脂与碳纤维表面附着度降低，所以对复合材料制备所需树脂及工艺提出了更高的要求。

湿法聚丙烯腈基碳纤维为湿法聚丙烯腈基碳纤维原丝生产。

湿法纺丝过程中，聚合液由喷丝板喷丝孔喷出后直接进入凝固浴中，且在凝固过程中施加的是负牵伸，所以湿法纺速较慢；

湿法纺丝中，聚合液经喷丝板喷出喷丝孔时发生流线收敛，在喷丝孔出口形成巴勒斯膨胀，聚合液离开喷丝孔后直接进人凝固浴中，快速凝固，膨胀部分的外表面积大，凝固过程中施加的轴向牵伸使原丝细旦化，使已凝固的丝条表面皮层发生皱折，产生沟槽。因此湿法纺出的原丝和所制备的碳纤维表面粗糙，纵向沟槽明显。

湿法聚丙烯腈基纤维表面沟槽的存在，使在纺丝和预氧化过程中单丝间不易粘连并丝，碳纤维表面沟槽的存在使碳纤维比表面积增大，有利于树脂与碳纤维的结合，制得的复合材料界面的物理锚定效果好，有利于提高复合材料的层间剪切强度。

因干喷湿法、湿法聚丙烯腈基碳纤维各具特色，下游复合材料厂家会根据复合材料制品特性选择干喷湿法或湿法聚丙烯腈基碳纤维。

目前干喷湿法碳纤维原丝配套专用干喷湿法碳纤维原丝生产线进行生产，湿法碳纤维原丝配套专用湿法碳纤维原丝生产线进行生产。采用单一的干喷湿法或者湿法纺丝线进行碳纤维原丝的生产，无疑增加了碳纤维生产厂家土地成本、建筑成本、设备成本等，进而增加了碳纤维生产厂家的生产成本。