一种高强中模碳纤维的制备方法

文档序号:9344994阅读:530来源:国知局
一种高强中模碳纤维的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳纤维制备技术领域,具体涉及一种高强中模碳纤维的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维不仅是尖端国防工业无可替代的战略基础材料,也是民用工业更新换代的新型材料。由于碳纤维具有轻质、高强、高模、导热、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、低膨胀等综合优异性能,是理想的耐烧蚀功能复合材料和结构复合材料的组元。碳纤维在卫星、运载火箭、宇宙飞船、民用飞机等航空航天高技术尖端领域发挥着越来越重要的作用。近年来,高速轨道交通、深海油田、新型能源、建筑等产业也开始大量应用碳纤维。
[0003]为了制备出高拉伸强度的碳纤维,良好的原丝工艺是必不可少的。良好的纺丝工艺通过匹配纺丝过程中凝固浴的温度、浓度,各牵伸段的牵伸拉伸强度以及干燥温度,较好的消除了原丝中的孔洞,提高原丝的致密程度、原丝取向度和原丝拉伸强度。只有这种拉伸强度适中、结构致密的原丝才能碳化出高拉伸强度的碳纤维。张国良等提出了一种高强聚丙烯腈基原丝的制备方法(申请号:CN200910234654.X)。该方法通过5级凝固后,得到了拉伸强度达到10.2cN/dtex的原丝。虽然该发明能提高原丝的单丝拉伸强度,但是这种拉伸强度的提高一般是通过过度牵伸实现的,因此会造成原丝的一些缺陷,在碳化过程中不利于实现碳纤维性能的进一步提高。薛祖彪等提出一种聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺(申请号:CN200910185529.4)。该方法根据原丝力学性能、截面形态结构和孔洞分析挑选聚丙烯腈原丝,然后进行碳化,得到拉伸强度大于4.92GPa的碳纤维。这种方法虽然能够制备出拉伸强度较好的碳纤维,但是其原丝的质量明显参差不齐,既不适用于大规模的生产,也不利于经济效益的提高。

【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足,提供一种高强中模碳纤维的制备方法。该方法具有原料简单,聚合液性能稳定,原丝品质高的优点。利用该方法制备的碳纤维的拉伸强度高达5.5GPa?5.8GPa,拉伸模量高达298GPa?301GPa,属于高强中模范畴,具有广泛的应用前景。
[0005]为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
[0006]步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液;所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为18.5%?23.4%,粘度为80Pa.s?96Pa.s ;
[0007]步骤二、利用喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝,凝固后得到丝束;
[0008]步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理;
[0009]步骤四、将步骤三中水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸;
[0010]步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理;所述低温干燥的温度为80°C?95°C,所述高温干燥的温度为125°C?145 0C ;
[0011]步骤六、将步骤五中高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa?0.35MPa,牵伸倍率为1.5?3.0的条件下进行蒸汽牵伸处理,然后将蒸汽牵伸处理后的丝束在蒸汽压力为0.1MPa?0.2MPa,牵伸倍率为0.95?0.98的条件下进行蒸汽定型处理,之后将蒸汽定型处理后的丝束进行收卷,得到原丝;
[0012]步骤七、将步骤六中所述原丝先在温度为180°C?260°C,牵伸倍率为0.975?1.04的条件下进行预氧化处理,再在温度为450°C,牵伸倍率为1.00?1.03的条件下进行低温碳化处理,然后在温度为1350°C,牵伸倍率为0.96?0.964的条件下进行高温碳化处理,最终得到拉伸强度为5.5GPa?5.8GPa,拉伸模量为298GPa?301GPa的高强中模碳纤维。
[0013]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的制备过程为:
[0014]步骤101、称取以下各种原料:
[0015]单体:丙烯腈和衣康酸的混合物;所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97%?99%,余量为衣康酸;
[0016]引发剂:偶氮二异丁腈;所述偶氮二异丁腈的质量为所述单体质量的0.4%?
0.8% ;
[0017]溶剂:二甲基亚砜;所述二甲基亚砜的质量为所述单体质量的3.0?4.5倍;
[0018]步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入聚合反应釜中搅拌均匀,得到混合料,然后向聚合反应釜中通入氮气,直至将聚合反应釜内的空气排除干净,之后在持续搅拌的条件下,将混合料升温至58°C?63°C后保温18h?24h进行聚合反应,得到聚合液;
[0019]步骤103、在温度为58°C?63°C且持续搅拌的条件下,对步骤102中所述聚合液进行抽真空处理以脱除未反应的单体;
[0020]步骤104、在温度为58°C?63°C且停止搅拌的条件下,对步骤103中脱除未反应单体后的聚合液进行抽真空处理以实现静态脱泡,得到丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液。
[0021]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤102中所述升温的具体过程为:将混合料先以2°C /min?4°C /min的升温速率升温至45?55°C,再以0.5°C /min?1°C /min的升温速率升温至58°C?63 °C。
[0022]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤103和步骤104中所述抽真空处理的真空度均为-0.098MPa?-0.090MPa,所述抽真空处理的时间均为8h?12h。
[0023]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤二中所述喷丝板上的喷丝孔为圆孔,所述喷丝孔的孔径为50 μ m?80 μ m。
[0024]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤二中所述凝固的具体过程为:将纺丝后的丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液先在牵伸倍率为0.5?0.9的条件下经过温度为55°C?65°C,质量百分比浓度为55%?70%的DMSO水溶液进行一级凝固,再在牵伸倍率为1.1?1.4的条件下经过温度为55°C?65°C,质量百分比浓度为30 %?40 %的DMSO水溶液进行二级凝固,然后在牵伸倍率为1.4?1.7的条件下经过温度为55°C?65 °C,质量百分比浓度为15%?25%的DMSO水溶液进行三级凝固。
[0025]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤三中所述水洗处理的温度为60 °C?90 °C。
[0026]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤四中所述两段热水牵伸的具体过程为:将水洗处理后的丝束先在温度为75°C?85°C,牵伸倍率为1.5?1.7的条件下进行一段热水牵伸,再在温度为85°C?95°C,牵伸倍率为1.7?1.8的条件下进行二段热水牵伸。
[0027]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤六中所述收卷的速率为 7m/min ?12m/min。
[0028]上述的一种高强中模碳纤维的制备方法,其特征在于,步骤七中所述预氧化处理的时间为60min,所述低温碳化处理的时间为4min,所述高温碳化处理的时间为2min。
[0029]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0030]1、本发明从实际生产出发,以提高生产效率和提高碳纤维力学性能为目标,通过对聚合过程及原丝凝固条件的优化,以及对纺丝过程中牵伸比例的合理分配,制备出了断面形状好、拉伸强度适中、密度高的原丝。该原丝在纺丝过程中不容易产生毛丝和断丝,并且对碳化工艺要求低,非常适合生产高强中模的碳纤维。
[0031]2、由于原丝的质量在很大程度上决定了碳纤维的质量,而聚合液的质量又在很大程度上决定了原丝的质量。因此,本发明提出一种碳纤维原丝的制备方法,该方法以二甲基亚砜为溶剂,以偶氮二异丁腈为引发剂,以丙烯腈和衣康酸为聚合物单体,在单台聚合反应釜内完成聚合、脱单、脱泡等工序。通过对混合物在配料及反应过程中温度的严格控制,细化动态脱单,静态脱泡的压力和时间,制备出转化率高,粘度和分子量分布窄的聚合液。
[0032]3、本发明通过湿法纺丝得到了高品质的原
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