纤维上油的方法与流程

本发明涉及一种纤维上油的方法，具体来说是一种用于湿法纺丝生产聚丙烯腈原丝的上油方法。

背景技术：

从上个世纪50年代开始，发达国家为研发大型火箭和人造卫星以及全面提高飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了PAN基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。由于PAN基碳纤维生产工艺较其他方法简单，产品的力学性能良好，因此得到了迅速发展，成为当前生产碳纤维的主流。

PAN基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、国防军事等领域。此外，在飞机工业、汽车行业、船舶制造、医疗器械、体育运动器材和新型建材等领域亦有广阔的应用前景。制备PAN基碳纤维主要包括以下环节：聚合纺丝、PAN原丝的热稳定化以及PAN稳定化纤维的碳化或进一步的石墨化。聚合纺丝过程主要包括单体聚合、脱单脱跑和纺丝。纺丝工艺有湿法、干湿法和熔融法三种，湿法纺丝是目前应用最广泛的工艺。湿法纺丝中容易控制原丝质量，得到原丝纤度离散较小、溶剂残留较少，其工艺相对较为成熟。

PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它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工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。

优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。所制备的原丝要实现高纯化、高强化、细旦化和致密化；单丝之间分线性好，原丝表面不能有明显缺陷。制备高品质碳纤维的前提条件是必须使用优质的聚丙烯腈原 丝，这是多年经验的总结，只有好的纺丝原液才能纺制出优质的聚丙烯腈原丝。

聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备路线，采用不同的依据，有不同的分类方法。根据纺丝使用的溶剂不同，可以分为二甲基亚砜法、硫氰酸钠水溶液法、硝酸法等，根据原丝成型工艺的不同，可以分为湿法和干喷湿法。聚丙烯腈原丝的制备涉及原液的制备和原液的纺丝两个大过程，其中原液的制备包括聚合，脱单和脱泡三道道工序，原液的纺丝包括原液的过滤、计量、凝固、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型和卷绕等十几道工序。

上油是碳纤维原丝制备工艺中一个关键的步骤。上油就是在聚丙烯腈原丝表面均匀涂上一层油剂薄膜，油剂可以渗透到纤维内，但大部分的油剂仍然停留在纤维表面，油剂可以保护纤维不被刮伤，还可以提高纤维的集束性和抗静电性，避免纤维在进一步的后处理过程中发生并丝和断丝。纤维的上油量要适当，上油剂量过多，引起硅污染；油剂量过少，引起单丝之间的粘连或并丝。

国内专利CN101876096A是一种碳纤维生产过程中所用原丝油剂的生产方法，该原丝油剂的工艺合理，操作简单。该油剂使用时渗透快，润滑性好，可以提高纤维集束性，可以在单丝表面成膜，耐高温，在干燥致密化辊过程中不黏辊，可以再整个预氧化过程中以及低温碳化初期很好地保护纤维，大大降低了单丝粘连和并丝现象，减少了纤维的表面缺陷，提高了纤维的性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的纤维上油均匀性差的问题。提供了一种纤维上油的方法，该方法采用了一种纤维的装置，使用纤维上油的装置具有可以提高纤维上油均匀性的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种纤维上油的方法，通过采用包括若干个上油单元的上油装置，其中每个上油单元均独立包括：传动辊、浸油辊、挤压胶辊和油剂槽，包括以下步骤：

(a)将含水率小于10％的纤维进入第一个上油单元，依次经过第一个上油单元的传动辊1和浸油辊2进入油剂槽16，再依次经过第一个上油单元的浸油辊13和传动辊14，完成第一道初上油；

(b)经第一道初上油的纤维经第一个上油单元的挤压胶辊15和传动辊14相互挤压，将纤维表面多余的油剂挤压掉，完成第一道上油；

(c)将完成第一道上油的纤维，进入第二个上油单元，依次经过该上油单元的传动辊12和浸油辊11进入该上油单元的油剂槽17，再依次经过该上油单元的浸油辊5和传动辊4，完成第二道初上油；

(d)经第二道初上油的纤维经挤压胶辊3和传动辊4相互挤压，将纤维表面多余的油剂挤压掉，完成第二道上油；

(e)经(d)步骤中完成第二道上油的纤维，至少进行再一道上油后送到下一道纺丝工序；或者直接送到下一道纺丝工序。

上述技术方案中，所述的第一道上油工序中上油槽(16)内油剂的温度优选为20～35℃范围，油剂的浓度优选为小于1.5％范围。

上述技术方案中，所述的第二道上油工序中上油槽(17)内油剂的温度优选为20～35℃范围，油剂的浓度优选为1～2.5％范围。

上述技术方案中，所述(e)步骤中经(d)步骤中完成第二道上油的纤维优选进入第三个上油单元，依次经过该上油单元的传动辊(6)和浸油辊(7)进入该上油单元的上油槽(18)，再依次经过该上油单元的浸油辊(8)和传动辊(9)，完成第三道上油后送到下一道纺丝工序。

上述技术方案中，所述的第二道上油工序中上油槽(18)内油剂的温度优选为20～35℃范围，油剂的浓度优选为2～3.5％范围。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊和传动辊之间的压力由行程气缸调节，压力的调节范围优选为0～1000cN。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊的材质为邵氏硬度优选为在20～80度橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊的直径和传动辊或浸油辊的直径优选为相同或者不同。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊的直径优选为不小于5cm。

上述技术方案中，所述的传动辊和浸油辊的直径相同，直径范围优选为8～25cm。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊和传动辊之间的压力的调节范围更优选为20～200cN。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊，材质更优选为邵氏硬度在30～65度的橡胶材料。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊，直径更优选为10～20cm。

上述技术方案中，所述的传动辊和浸油辊的直径更优选为10～20cm。

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第一道上油上油槽(16)内油剂的温度更优选为在20～22℃范围内；

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第一道上油上油槽(16)内油剂的浓度优选为更小于1％；

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第二道上油上油槽(17)内油剂的温度更优选为在20～22℃范围内；

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第二道上油上油槽(17)内油剂的浓度优选为更1～2％；

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第三道上油上油槽(18)内油剂的温度更优选为在20～22℃范围内；

上述技术方案中，所述的纤维上油的方法，所述的控制第三道上油上油槽(18)内油剂的浓度优选为更2～3％。

上述技术方案中，所述上油工序中后一道上油工序上油槽内油剂的浓度优选高于前一道上油工序；所有上油槽内的油剂温度优选为相同。

采用本发明的方案，能够提高纤维上油的均匀性，最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率和纤维束内部纤维的含油率的差值不超过0.05％，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为一种纤维上油的方法，所采用的一种纤维上油的装置。

图2为比较例1的纤维上油的装置示意图。

图3为比较例2的纤维上油的装置示意图。

图1中，1、4、6、9、12、14为传动辊，2、5、7、8、11、13为浸油辊，3、10、15为挤压胶辊，16、17、18为上油槽。

本发明采用图1所示纤维上油的装置，包括：传动辊(1、4、6、9、12、14)、浸油辊(2、5、7、8、11、13)、挤压胶辊(3、10、15)和油剂槽(16、17、18)，传动 辊(1、14，4、12，6、9)分别位于上油槽(16、17、18)外的两侧上方，浸油辊(2、13，5、11，7、8)分别位于上油槽(16、17、18)内的两侧，浸油辊部分或者完全浸没在油剂内，挤压胶辊(15、3、10)分别位于纤维出上油槽(16、17、18)后的传动辊(14、4、9)上面，与传动辊一起作用，将纤维表面多余的油剂挤掉。

下面通过具体实施例进一步说明。

具体实施方式

【实施例1】

使用3个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为500cN，挤压胶辊为邵氏硬度60度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为10cm，浸油辊部分浸入油剂内。

以上的纤维上油的装置和工艺，可应用于进行纺丝。纺丝工艺如下：

1、原液制备：将经蒸馏的丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)按比例97:3、固含量20％，偶氮二异丁腈(AIBN)占共聚单体的0.4wt％，以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂加入到反应器中，在氮气保护下，在59℃的恒定温度下反应20小时，得到二元丙烯腈共聚物纺丝液。然后纺丝液经减压脱除残余单体和气泡后，经过5μm过滤材料的过滤，得到丙烯腈共聚物纺丝原液。经测试，分子量为80021，分子量分布为3.34，粘度在60℃下为75Pa·S。

2、凝固成型：纺丝原液经过计量泵计量、再次经过3μm过滤后，通过喷丝头挤出后进入第1道凝固浴，凝固浴温度20℃，浓度为50％，牵伸比为-30％，第2道凝固浴为40℃，浓度为40％，牵伸比为100％，第3道凝固浴为60℃，浓度为30％，牵伸比为105％，得到初生纤维。

3、牵伸及水洗：

初生纤维通过3道凝固后，进行热水3道牵伸，3道热水牵伸温度分别为90℃、95℃和97℃，牵伸倍数分别为1.5、1.5和1.5.。经过3道热水牵伸后，丝条进行9道水洗，采用阶梯升温的方式，1-3道水洗温度为50℃，4-6道水洗温度为60℃，7-9道水洗温度为70℃，水洗阶段不进行牵伸，水洗后纤维的含水率为5％。

4、上油及干燥致密化：将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃， 上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为2％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为3％。

5、蒸汽牵伸：将步骤4得到的纤维进行蒸汽牵伸，蒸汽牵伸的压力为0.2Mpa，牵伸比为2倍。

6、蒸汽热定型及收丝：将步骤5得到的纤维进行蒸汽热定型后收丝，得到高性能碳纤维原丝，蒸汽热定型的压力为0.2Mpa。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.3％，纤维束中心纤维的含油率为1.25％。

【实施例2】

使用2个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为100cN，挤压胶辊为邵氏硬度30度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径不同，浸油辊直径12cm，挤压胶辊直径为10cm，浸油辊完全浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度20℃，上油浓度1.5％；再进入第二个上油槽，上油温度20℃，上油浓度为3.2％，最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.1％，纤维束中心纤维的含油率为1.05％。

【实施例3】

使用4个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为900cN，挤压胶辊为邵氏硬度20度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为15cm，浸油辊部分浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度30℃，上油浓度0.5％；再进入第二个上油槽，上油温度30℃，上油浓度为1.2％，再进入第三个上油槽，上油温度30℃，上油浓度为1.8％，最后进入第四个上油槽，上油温度30℃，上油浓度为2.4％，得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为0.89％，纤维束中心纤维的含油率为0.85％。

【实施例4】

使用2个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为600cN，挤压胶辊为邵氏硬度80度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为10cm，浸油辊部分浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度35℃， 上油浓度1.5％；再进入第二个上油槽，上油温度35℃，上油浓度为3％，纤维束外部纤维的含油率为1.58％，纤维束中心纤维的含油率为1.53％。

【实施例5】

使用3个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为400cN，挤压胶辊为邵氏硬度75度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为12cm，浸油辊部分浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为2％，最后进入第三个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为3％，纤维束外部纤维的含油率为1.22％，纤维束中心纤维的含油率为1.19％。

【实施例6】

同实施例1，只是在步骤4、上油及干燥致密化中，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为1％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为1％。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为0.90％，纤维束中心纤维的含油率为0.65％。

【实施例7】

同实施例1，只是在步骤4、上油及干燥致密化中，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为3％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为2％。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.20％，纤维束中心纤维的含油率为1.00％。

【实施例8】

同实施例1，只是在步骤4、上油及干燥致密化中，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为2％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为2％。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.10％，纤维束中心纤维的含油率为0.85％。

【实施例9】

同实施例1，只是在步骤4、上油及干燥致密化中，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度25℃，上油浓度为3％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为3％。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.35％，纤维束中心纤维的含油率为1.10％。

【实施例10】

同实施例1，只是在步骤4、上油及干燥致密化中，将步骤3得到的纤维先进入第一个上油槽，上油温度25℃，上油浓度1％；再进入第二个上油槽，上油温度35℃，上油浓度为2％，最后进入第三个上油槽，上油温度为25℃，上油浓度为3％。

最后得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.25％，纤维束中心纤维的含油率为1.05％。

【比较例1】

采用图2所示的纤维上油的装置，使用1个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为400cN，挤压胶辊为邵氏硬度75度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为12cm，浸油辊部分浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入上油槽，上油温度25℃，上油浓度3％，得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.10％，纤维束中心纤维的含油率为0.65％。

【比较例2】

采用图3所示的纤维上油的装置，使用1个上油槽，挤压胶辊和传动辊之间的压力为400cN，挤压胶辊为邵氏硬度75度的橡胶材料，挤压胶辊的两边倒角，挤压胶辊、浸油辊和传动辊的直径相同，直径为12cm，浸油辊部分浸入油剂内，将步骤3得到的纤维先进入上油槽，上油温度25℃，上油浓度3％，得到纤维，纤维束外部纤维的含油率为1.25％，纤维束中心纤维的含油率为0.70％。