本發(fā)明涉及碳纖維碳化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝。
背景技術(shù)：
碳纖維是含碳量在90％以上的無機高分子纖維，是由有機纖維(如腈綸絲、瀝青及粘膠纖維等)在惰性氣體中經(jīng)碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維具有諸多優(yōu)異的力學(xué)性能，同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，既具有碳材料的固有本性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于飛機制造和航空航天及導(dǎo)彈火箭等軍工領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，還有高爾夫球棒、羽毛球拍及自行車等體育休閑領(lǐng)域。
碳纖維的生產(chǎn)工藝可分為聚丙烯腈纖維(原絲)、預(yù)氧化工藝及碳化工藝。預(yù)氧化是生產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維的一個重要中間過程。它起到承前啟后由原絲轉(zhuǎn)化為碳纖維的橋梁，預(yù)氧化不僅控制著碳纖維的質(zhì)量，而且也控制著碳纖維的產(chǎn)量。同樣預(yù)氧化階段的預(yù)氧化爐也是碳纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，同時也是耗時最長、能耗最高的裝備，運行溫度為180-300℃，纖維在預(yù)氧化爐內(nèi)的處理時間常規(guī)為70-120分鐘。因此降低碳纖維成本、提升品質(zhì)的關(guān)鍵在于碳化的預(yù)氧化階段。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有的聚丙烯腈基碳纖維預(yù)氧化工藝中存在的耗時長、能耗高的問題，本發(fā)明提供了一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體步驟如下：
聚丙烯腈基碳纖維原絲在240～260℃的起始溫度下，以10～15℃的升溫梯度，控制預(yù)氧化的總時間為33～40min，升溫至結(jié)束溫度270～290℃，預(yù)氧化過程中，熱風(fēng)以7000～12000m3/h的循環(huán)量垂直于絲束的運行方向向下吹送，絲束的運行線速為550～720m/h，牽伸率為-5～-15％。
優(yōu)選地，所述的起始溫度為245～250℃。
優(yōu)選地，所述的結(jié)束溫度為270～275℃。
優(yōu)選地，所述的升溫梯度為12～15℃。
優(yōu)選地，所述的循環(huán)量為8000～8500m3/h。
優(yōu)選地，所述的預(yù)氧化的總時間為35～38min。
優(yōu)選地，所述的絲束的運行線速為620～660m/h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明采用熱風(fēng)循環(huán)，將熱風(fēng)垂直于絲束的運行方向吹送，提供聚丙烯腈原絲逐級預(yù)氧化所需的氧氣量，熱交換面積大，極大地提高氧化效率，縮短預(yù)氧化時間，此外，通過控制熱風(fēng)的循環(huán)量，將試圖逃逸的爐內(nèi)空氣吸收并送回到爐內(nèi)循環(huán)，阻止冷空氣進入爐內(nèi)，有較好的氣密性；
(2)本發(fā)明采用較高的預(yù)氧化起始溫度，迅速達到聚丙烯腈基碳纖維原絲的有效預(yù)氧化溫度，縮短了預(yù)氧化時間；
(3)本發(fā)明采用較高的預(yù)氧化升溫速率，使聚丙烯腈基碳纖維原絲較快地達到所需的預(yù)氧化程度，縮短整個預(yù)氧化時間，預(yù)氧化時間縮短至33～40min；
(4)本發(fā)明采用較大的牽伸率，抑制解取向，避免纖維的毛絲或斷絲的產(chǎn)生，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)；
本發(fā)明的預(yù)氧化工藝耗時顯著縮短，有效地降低了能耗，實現(xiàn)了低成本高產(chǎn)量的快速預(yù)氧化，極大地減少了工業(yè)生產(chǎn)成本。同時，制得的預(yù)氧絲的體密度為1.34～1.36g.cm-3，皮芯率在10％左右，預(yù)氧絲碳化后形成的碳纖維的強度達到5100mpa以上，具有優(yōu)異的質(zhì)量。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
實施例1
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：245℃；結(jié)束溫度：270℃；升溫梯度：12℃；熱風(fēng)循環(huán)量：7000m3/h；絲束的運行線速：660m/h，預(yù)氧化總時間：35min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5301mpa，cv值：4.3％。
實施例2
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：250℃；結(jié)束溫度：275℃；升溫梯度：15℃；熱風(fēng)循環(huán)量：8500m3/h；絲束的運行線速：720m/h，預(yù)氧化總時間：33min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5105mpa，cv值：5.4％。
實施例3
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：242℃；結(jié)束溫度：270℃；升溫梯度：12℃；熱風(fēng)循環(huán)量：7000m3/h；絲束的運行線速：620m/h，預(yù)氧化總時間：38min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5278mpa，cv值：4.5％。
實施例4
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：240℃；結(jié)束溫度：270℃；升溫梯度：15℃；熱風(fēng)循環(huán)量：7000m3/h；絲束的運行線速：550m/h，預(yù)氧化總時間：40min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5218mpa，cv值：3.6％。
實施例5
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：240℃；結(jié)束溫度：270℃；升溫梯度：15℃；熱風(fēng)循環(huán)量：8000m3/h；絲束的運行線速：660m/h，預(yù)氧化總時間：35min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5201mpa，cv值：4.7％。
實施例6
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：260℃；結(jié)束溫度：290℃；升溫梯度：15℃；熱風(fēng)循環(huán)量：10000m3/h；絲束的運行線速：660m/h，預(yù)氧化總時間：35min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5255mpa，cv值：5.1％。
實施例7
一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：250℃；結(jié)束溫度：270℃；升溫梯度：10℃；熱風(fēng)循環(huán)量：7000m3/h；絲束的運行線速：660m/h，預(yù)氧化總時間：35min。
預(yù)氧絲的體密度1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5285mpa，cv值：5.1％。
由上述實施例1～實施例7可知，通過控制起始溫度為240～260℃，升溫梯度為10～15℃，預(yù)氧化的總時間為33～40min，結(jié)束溫度270～290℃，熱風(fēng)以7000～12000m3/h的循環(huán)量，絲束的運行線速為550～720m/h，牽伸率為-5～-15％，預(yù)氧絲碳化后形成的碳纖維的強度均在5100mpa以上，cv值在3.6％～5.5％之間，相比于傳統(tǒng)的預(yù)氧絲碳化形成的碳纖維具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，成本也有所降低。
對比例1
傳統(tǒng)的聚丙烯腈基碳纖維原絲預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：230℃；結(jié)束溫度：262℃；升溫梯度：10℃；熱風(fēng)循環(huán)量：4000m3/h；絲束的運行線速：300m/h，預(yù)氧化總時間：75min。
預(yù)氧絲的體密度為1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5075mpa，強度cv值：2.4％。
對比例2
傳統(tǒng)的聚丙烯腈基碳纖維原絲預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：225℃；結(jié)束溫度：262℃；升溫梯度：15℃；熱風(fēng)循環(huán)量：3000m3/h；絲束的運行線速：180m/h，預(yù)氧化總時間：120min。
預(yù)氧絲的體密度為1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：4975mpa，強度cv值：3.2％。
對比例3
傳統(tǒng)的聚丙烯腈基碳纖維原絲預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：235℃；結(jié)束溫度：259℃；升溫梯度：10℃；熱風(fēng)循環(huán)量：5000m3/h；運行的線速是420m/h；預(yù)氧化總時間：60min。
預(yù)氧絲的體密度為1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：5119mpa，強度cv值：3.1％。
比較實施例1～7和對比例1～3可知，相比于傳統(tǒng)的起始溫度、結(jié)束溫度、升溫梯度和熱風(fēng)循環(huán)量，預(yù)氧化總時間相對較長，且預(yù)氧絲碳化后形成的碳纖維的強度不如快速預(yù)氧化后預(yù)氧絲碳化后形成的碳纖維強度，且成本相對較高。
對比例4
起始溫度過高時，聚丙烯腈基碳纖維原絲預(yù)氧化工藝，具體預(yù)氧化參數(shù)如下：
起始溫度：262℃；結(jié)束溫度：280℃；升溫梯度：10℃；熱風(fēng)循環(huán)量：9000m3/h；運行的線速是720m/h，預(yù)氧化總時間：30min。
預(yù)氧絲的體密度為1.34-1.36g.cm-3。經(jīng)碳化爐后獲得的碳纖維產(chǎn)品性能，強度：4934mpa，強度cv值：7.6％。
比較實施例1～7和對比例4可知，起始溫度和結(jié)束溫度過高時，預(yù)氧化總時間雖然減少，但是預(yù)氧絲碳化后形成的碳纖維的強度下降明顯，cv值明顯增加，強度波動較大。