一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚丙烯腈（PAN)基碳纖維是一種以PAN原絲為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)1000°C以上高溫處理 制得的碳含量在90%以上的具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)纖維材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、 耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、傳熱、減震、降噪和相對(duì)密度小等一系列優(yōu)異性能。 碳纖維作為軍民兩用的高技術(shù)材料，已廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事等尖端領(lǐng)域以及高 級(jí)體育用品和醫(yī)療器械等民用行業(yè)。碳纖維的發(fā)展和應(yīng)用在提高國(guó)家軍事實(shí)力和工業(yè)產(chǎn)品 的競(jìng)爭(zhēng)力方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
[0003] PAN原絲的預(yù)氧化和碳化是制備碳纖維的關(guān)鍵工藝，在碳纖維制備過(guò)程中是承 前（原絲）啟后（碳纖維）的橋梁，對(duì)碳纖維性能、碳收率和生產(chǎn)效率等具有重要的影 響。因此，制定與原絲相匹配的預(yù)氧化、碳化工藝是制備高品質(zhì)碳纖維的前提。在專利號(hào) 為CN102953154A的專利中提到了中國(guó)石油化工股份有限公司所使用的一種聚丙烯腈基碳 纖維的制造方法，該制造方法使用三元共聚進(jìn)行聚合，紡絲得到原絲，在進(jìn)行碳化。水洗過(guò) 程中需要置于酸性水溶液及鹽水中進(jìn)行牽伸，過(guò)程較為繁瑣，纖維均勻程度難控制，不利于 生產(chǎn)。在專利號(hào)為CN101718012A的專利中提到了中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司所使用的 一種聚丙烯腈基碳纖維的制造方法，該制造方法預(yù)氧化溫度為200~300°C，低溫碳化溫度 300~800°C。該處理工藝的預(yù)氧化溫度和低溫碳化較高，相對(duì)能耗也較大，不利已降低碳 纖維制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳纖維絲的 生產(chǎn)方法。該方法通過(guò)調(diào)整溫度和牽伸倍率的匹配，使得纖維在運(yùn)行過(guò)程中張力達(dá)到預(yù)期 要求，纖維取向度提高，分子排布更加致密化，因此使碳纖維強(qiáng)度得到顯著提高。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特 征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、采用預(yù)氧化爐對(duì)碳纖維原絲進(jìn)行預(yù)氧化處理，所述預(yù)氧化處理采用四溫 區(qū)預(yù)氧化處理工藝，各溫區(qū)預(yù)氧化處理的溫度分別為180°C、231°C、251°C和262°C，各溫區(qū) 預(yù)氧化處理的時(shí)間均為15min~20min，各溫區(qū)預(yù)氧化處理過(guò)程中碳纖維原絲的牽伸率分 別為 0· 6%~L 0%、-L 0%~-0· 8%、-2. 0%~-L 5%和-2. 0%~-L 5% ;所述碳纖維 原絲為聚丙烯腈基碳纖維原絲；
[0007] 步驟二、采用低溫碳化爐對(duì)步驟一中預(yù)氧化處理后的碳纖維原絲進(jìn)行低溫碳化處 理，所述低溫碳化處理采用六溫區(qū)低溫碳化處理工藝，各溫區(qū)低溫碳化處理的溫度分別為 400°C、570°C、625°C、625°C、625°C和625°C，各溫區(qū)低溫碳化處理的時(shí)間均為15s~20s，低 溫碳化處理過(guò)程中碳纖維原絲的總牽伸率為7%~10% ;
[0008] 步驟三、采用高溫碳化爐對(duì)步驟二中低溫碳化處理后的碳纖維原絲進(jìn)行高溫碳化 處理，所述高溫碳化處理采用四溫區(qū)高溫碳化處理工藝，各溫區(qū)高溫碳化處理的溫度分別 為850°C、1000°C、1250°C和1350°C，各溫區(qū)高溫碳化處理的時(shí)間均為15s~20s，高溫碳化 處理過(guò)程中碳纖維原絲的總牽伸率為-5~-4% ;
[0009] 步驟四、對(duì)步驟三中高溫碳化處理后的碳纖維原絲進(jìn)行上漿處理，然后將上漿處 理后的碳纖維原絲置于干燥爐中干燥，得到碳纖維絲。
[0010] 上述的一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟一中所述各溫區(qū)預(yù)氧化處理 過(guò)程中碳纖維原絲的走絲速率均為2. 9m/min~3. Om/min。
[0011] 上述的一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟一中所述各溫區(qū)預(yù)氧化過(guò)程 中碳纖維原絲的牽伸率分別為0. 8%、-0. 9%、-1. 56%和-1. 56%。
[0012] 上述的一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟二中所述低溫碳化處理過(guò)程 中碳纖維原絲的總牽伸率為8%。
[0013] 上述的一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟三中所述高溫碳化處理過(guò)程 中碳纖維原絲的總牽伸率為-4. 8%。
[0014] 上述的一種碳纖維絲的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟四中所述干燥采用六溫區(qū)干 燥處理工藝，各溫區(qū)干燥處理的溫度分別為155°C、155°C、155°C、165°C、165°C和165°C，各 溫區(qū)干燥處理的時(shí)間均為15s~20s。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、本發(fā)明首先采用四溫區(qū)預(yù)氧化處理工藝，使碳纖維原絲主要發(fā)生脫氫、環(huán)化和 氧化反應(yīng)。通過(guò)預(yù)氧化反應(yīng)，氧元素逐漸結(jié)合到PAN大分子中，鏈狀大分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn) 定性、耐熱性良好的梯形分子結(jié)構(gòu)，在此過(guò)程中，氰基隨環(huán)化反應(yīng)進(jìn)行而形成共輒的梯形結(jié) 構(gòu)。然后在低溫碳化過(guò)程中將低溫度和高牽伸率的聯(lián)合應(yīng)用，使得碳纖維的鉤接強(qiáng)力和模 量都有較大提高且變異系數(shù)變小，碳纖維拉伸強(qiáng)度顯著提高。并在高、低溫碳化過(guò)程中，通 過(guò)調(diào)整溫度和牽伸倍率的匹配，使得纖維在運(yùn)行過(guò)程中張力達(dá)到預(yù)期要求的低溫碳化張力 為300cN，高溫碳化張力為320cN，纖維運(yùn)行過(guò)程中張力提高，纖維取向度提高，分子排布更 加致密化，因此碳纖維強(qiáng)度得到顯著提高。
[0017] 2、采用本發(fā)明生產(chǎn)的碳纖維絲橫切端面呈橢圓型，致密性良好，力學(xué)性能優(yōu)良，尤 其是拉伸強(qiáng)度高達(dá)4580MPa以上。
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1生產(chǎn)的碳纖維絲的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】 [0020] 實(shí)施例1
[0021] 本實(shí)施例碳纖維絲的生產(chǎn)方法包括以下步驟：
[0022] 步驟一、預(yù)氧化：
[0023] 選取品質(zhì)良好、無(wú)缺陷的聚丙烯腈基碳纖維原絲，然后將該碳纖維原絲按照常規(guī) 方法用去離子水噴霧加濕并干燥后，送入預(yù)氧化爐中進(jìn)行預(yù)氧化處理。所述預(yù)氧化處理 采用四溫區(qū)預(yù)氧化處理工藝，可通過(guò)一臺(tái)或相串聯(lián)的多臺(tái)預(yù)氧化爐來(lái)完成，各溫區(qū)預(yù)氧化 均以空氣為介質(zhì)，在各溫區(qū)預(yù)氧化處理的溫度分別為180°(：、231°(：、251°(：和262°(：的條件 下，對(duì)碳纖維原絲進(jìn)行梯度式預(yù)氧化處理；四個(gè)溫區(qū)之間均通過(guò)傳動(dòng)輥實(shí)現(xiàn)碳纖維原絲的 傳輸。預(yù)氧化過(guò)程中，碳纖維原絲在傳動(dòng)輥的牽引下依低溫區(qū)至高溫區(qū)的次序進(jìn)入各溫 區(qū)，并在各溫區(qū)的走絲速率均為3m/min。碳纖維原絲在各溫區(qū)的牽伸率分別為：第一溫區(qū) 0. 8%、第二溫區(qū)-0. 9%、第三溫區(qū)-1. 56%和第四溫區(qū)-1. 56%，各個(gè)溫區(qū)的預(yù)氧化時(shí)間均 為18min，得到密度為I. 35g/cm3~I. 36g/cm3的預(yù)氧絲；
[0024] 在預(yù)氧化過(guò)程中，碳纖維原絲主要發(fā)生脫氫、環(huán)化和氧化反應(yīng)。通過(guò)預(yù)氧化反應(yīng)， 氧元素逐漸結(jié)合到PAN大分子中，鏈狀大分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性、耐熱性良好的梯形分子 結(jié)構(gòu)，在此過(guò)程中，氰基隨環(huán)化反應(yīng)進(jìn)行而形成了共輒的梯形結(jié)構(gòu)。
[0025] 步驟二、低溫碳化：
[0026] 將步驟一中所述預(yù)氧絲（即經(jīng)四溫區(qū)預(yù)氧化處理后的碳纖維原絲）送入常規(guī)的 低溫碳化爐中進(jìn)行低溫碳化處理。所述低溫碳化處理采用六溫區(qū)低溫碳化處理工藝，可通 過(guò)一臺(tái)或相串聯(lián)的多臺(tái)低溫碳化爐來(lái)完成，各溫區(qū)溫度分別為400 °C、570 °C、625 °C、625 °C、 625°C和625°C，并通過(guò)調(diào)整位于低溫碳化爐出口處傳動(dòng)輥的速率，調(diào)整低溫碳化的牽伸倍 率，使預(yù)氧絲的總牽伸率達(dá)到8% ;
[0027] 各溫區(qū)低溫碳化處理過(guò)程中均以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，對(duì)預(yù)氧絲進(jìn)行梯度碳化。各溫區(qū)之 間通過(guò)傳動(dòng)輥實(shí)現(xiàn)預(yù)氧絲的傳輸。在傳動(dòng)輥的牽引下，預(yù)氧絲依次進(jìn)入各溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所 述預(yù)氧絲的低溫碳化，得到低溫碳化絲。低溫碳化中，在各溫區(qū)中的碳化時(shí)間均為20s。本 實(shí)施例中，低溫碳化爐入口處傳動(dòng)輥的速率為3m/min，低溫碳化爐出口處傳動(dòng)輥的速率為 3. 24m/min。所述低溫碳化爐出口處的傳動(dòng)輥即為高溫碳化爐入口處的傳動(dòng)輥。
[0028] 步驟三、高溫碳化：
[0029] 將步驟二中所述低溫碳化絲（即經(jīng)六溫區(qū)低溫碳化處理后的碳纖維原絲）送入常 規(guī)的高溫碳