[发明专利]高强度致密聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法

说明书

本发明提供了一种高强度致密聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，采用新型纺丝法，纺丝细流进入高温油浴凝固，经多级牵伸水洗制备高强度致密丙烯腈纤维；聚丙烯腈纤维经预氧化、碳化得到聚丙烯腈基碳纤维。本发明将传统纺丝的凝固浴置换为高温油浴，高温使纺丝原液中的溶剂快速且最大程度地蒸发后凝固成型，纺丝效率高，所得丙烯腈纤维无孔隙及皮芯结构，且截面呈圆形，此发明制备的碳纤维致密性好，强度高，模量大；油浴使纺丝细流表面形成油膜，避免粘丝、并丝现象发生；所用油浴性能稳定，安全性好，可重复利用度高；碳纤维制备的预氧化工艺为多温区梯度升温，反应缓和而均匀，使预氧化过程充分进行，最终得到结构均匀且致密的碳纤维。

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈纤维及碳纤维的制备技术领域，尤其涉及一种高强度致密聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在90％及以上的无机纤维，碳纤维及其复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐烛、耐高温、高耐疲劳强度等优点，最早应用于航空航天及国防领域。随着生产技术的逐渐成熟，碳纤维在化工机械、风力发电、交通工具、体育器械和医学等诸多国民经济领域也获得了广泛的应用。

碳纤维通常以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化等工艺而制得。其中PAN基碳纤维原丝生产工艺简单，所得产品的力学性能较优，应用领域广，占全球碳纤维总产量的90％以上。PAN基碳纤维是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列处理后得到的纤维状聚合物。制备高质量的PAN原丝(即PAN纤维)是制备高性能PAN基碳纤维的关键，近年来，我国PAN基碳纤维的生产工艺趋于多元化，其原丝的纺丝工艺有干法纺丝、湿法纺丝、干喷湿纺和凝胶法纺丝。目前，干法纺丝逐步减少；凝胶法纺丝大多至存在于实验阶段，不能应用于工业化生产；最常见的工业级纺丝方法为湿法纺丝和干喷湿纺。

湿法纺丝是将纺丝溶液经过滤、脱泡后，通过计量泵进入浸泡在凝固浴中的喷丝头，溶液从喷丝头挤出后直接进入凝固浴，在凝固浴中形成丝条的纺丝方法。干喷湿纺是将干法纺丝和湿法纺丝相结合，通过纺丝泵将纺丝溶液由喷丝头压出之后，先经过一段空气段，然后再进入凝固浴制备丝条的方法。这两种方法纺丝细流都要经过凝固浴，纺丝细流与凝固浴接触的瞬间发生剧烈的双扩散过程，初生纤维表面迅速形成致密的皮层结构，内部溶剂向外扩散困难，导致初生纤维有明显的皮芯结构，且内部产生裂痕和孔洞等缺陷。

申请号为CN201110234257.X的发明专利公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的无凝固浴纺丝方法，舍弃凝固浴，凝固成型主要依靠卷丝轴的转速，卷丝轴旋转使初生纤维高倍拉伸的同时初生纤维使自身排列紧密从而排挤出大量溶剂；另外还要严格控制空气段的温湿度及高度。该方法虽然避免了纤维皮芯结构等缺陷的形成，但是对卷丝轴的转速及空气段限制较多，影响纺丝效率，且初生纤维中溶剂残留多，容易发生并丝现象。

随着对无凝固浴纺丝的进一步改进，在该工艺中加入油剂层，虽然避免了并丝现象的发生，但该方法对空气段和上油距离有限制，纺丝效率无明显改善。

我国碳纤维产业整体技术水平目前还处于初级阶段，开发超高性能产品及降低常规品种的生产成本是未来碳纤维的发展趋势。

有鉴于此，有必要设计一种改进的高强度致密聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度致密聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，解决现有技术中传统凝固浴导致的丙烯腈纤维存在沟槽、孔洞和皮芯结构缺陷问题，以及无凝固浴时工艺条件受限制，纺丝效率低，容易发生并丝的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高强度致密聚丙烯腈纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1.聚丙烯腈纺丝原液的制备：将聚丙烯腈溶于极性溶剂中，制得浓度为 10wt％-30wt％的聚丙烯腈纺丝原液；