一种24-50k碳纤维原丝的制备方法及碳纤维原丝和碳纤维与流程

1.本发明属于大丝束碳纤维的制作技术领域，具体地说，涉及一种24-50k碳纤维原丝的制备方法及碳纤维原丝和碳纤维。


背景技术：

2.碳纤维属于高性能新型纤维材料，它具有高比强度、高比模量、热膨胀系数小、密度低、耐高温、耐化学腐蚀等一系列优异性能，在航空航天、工业能源、生物医学及体育娱乐业等领域应用广泛。
3.聚丙烯腈纤维原丝是生产碳纤维的主要原料，也是一种广泛应用于服装、装饰、建筑以及阻燃纤维制备等领域的高分子纤维材料。聚丙烯腈纤维原丝按照每一束原丝内含有名义单根纤维的数量可分为两类，一类为小丝束，另一类为大丝束；例如：3k聚丙烯腈纤维的一束原丝内含有名义单根纤维数量为3000根；24k聚丙烯腈纤维的一束原丝内含有名义单根纤维数量为24000根。1k～3k聚丙烯腈纤维属于小丝束，主要用于航空航天、军工等领域，24k～50k聚丙烯腈纤维属于大丝束，主要用于工业民用领域。
4.目前，碳纤维原丝生产主要集中在1k/3k/6k/12k品种，24k及以上品种丝束基本处于研究开发阶段。丝束中单丝根数数量高，越利于碳化过程中提高碳化产品产量，也利于提高碳纤维制品材料时的铺放和编制效率，从而大大降低整个产品制造链的制造成本。调查分析以12k产品为对比基准，24～50k产品相对可提高原丝和碳化生产效率100～300％以上。
5.24k以上原丝的生产主要以干喷湿纺为主，具体为2根12k合并或是4根6k合并，或者由不同k数的喷丝板合并而成，不但降低了生产效率也造成质量不稳定。因此研究和开发独特与先进的大丝束生产工艺，是一项技术瓶颈和挑战，打破这项技术瓶颈，则解决了大丝束产品产业化规模化发展的战略性问题，在碳纤维行业具有十分重要的战略性意义。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于克服现有的大丝束生产制备难度大、生产效率低和生产质量差的问题，提供一种24-50k碳纤维原丝的制备方法及碳纤维原丝和碳纤维。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
9.一种24～50k碳纤维原丝的制备方法，包括：
10.(1)丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸经水相悬浮聚合反应得到聚合物，再经过滤、烘干得到粉状聚合物；
11.(2)将粉状聚合物溶解于dmac中，得到纺丝原液；
12.(3)将纺丝原液通过孔数为24000～50000的喷丝板喷丝，喷丝板上喷丝孔的孔径与纺丝原液的固含量成正相关关系，喷丝后送入凝固浴成型得到初生纤维，初生纤维经水洗、上油、烘干、牵伸得到原丝。
13.进一步地，所述纺丝原液的固含量为16-28％，所述喷丝孔的孔径d为40～85μm；
14.优选的，喷丝板的直径为q，q/d＝k0,k0为1.764*10
3-2.5*103；
15.优选的，喷丝速度与喷丝孔的孔径d成负相关关系；
16.优选的，喷丝板上喷丝孔的孔间距为b，b/d＝k2，k2＞1；优选，k2为3.75～11；
17.优选的，喷丝孔的轴向长度为l，长径比l/d＝k3，k3＞1，优选，k3为1.2～2.0；
18.优选的，喷丝板的直径q为100-150mm，喷丝速度为v为8～55m/min，喷丝孔的孔间距为b为0.15～0.935mm。
19.大丝束生产技术的关键技术之一是喷丝板规格的设计。本发明采用的是单独的24～50k生产工艺方式，而不是多板合并的生产方式，提高了生产效率，简化了生产流程。
20.本发明中，喷丝板上喷丝孔的设计方式，解决了生产大丝束中因喷丝孔距离过近，纺丝原液扩散不充分，引起纤维粘连、并丝的问题，保证了由喷丝孔喷出的初生纤维周围有足够体积的扩散凝固浴液，使得纤维在凝固浴双扩散的质量稳定，制得的大丝束原丝质量均一。
21.进一步地，步骤(3)中经喷丝孔喷出的单丝孔径小于15μm；
22.优选的，单丝不同位置的孔径偏差值为-1.46～3.04μm。
23.进一步地，步骤(3)中的水洗为梯级水洗，梯级水洗的级数与原丝中的单丝数量成正相关关系，水洗后得到的原丝中dmac含量小于等于500ppm；
24.优选的，所述梯级水洗的级数为7～12级，梯级水洗的温度为70～99℃；
25.优选的，原丝中的单丝数量与用水量成正相关关系；优选，用水量为原丝重量的8～14倍。
26.大丝束原丝生产中，丝束溶剂残留是一项技术难题，因为单股丝束内原丝根数增加较多，溶剂去除技术同样是一项关键技术。实验摸索后，采用梯级水洗方式，能够有效提高水洗效率。
27.进一步地，步骤(3)中的水洗包括对初生纤维进行功率为50～2500w的超声波震荡波浪水洗，水洗后得到的原丝中dmac含量小于等于500ppm
28.优选的，震荡频率为10～90khz，波浪数为5～45个/米，所述水洗温度为60～99℃。
29.进一步地，步骤(3)中牵伸的总倍数为7～20倍；
30.优选的，所述牵伸包括湿区牵伸、干区牵伸，所述湿区牵伸为在水洗过程中进行牵伸，所述干区牵伸为在烘干过程中进行牵伸，所述湿区牵伸的牵伸倍数为3.5～15倍，所述干区牵伸的牵伸倍数为1.1～2倍。
31.牵伸的主要目的是通过牵伸提高纤维的分子取向度，改善其物理——机械性能。在牵伸过程中大分子或聚集态结构单元发生舒展并沿纤维轴取向排列，同时还伴随着相态的变化以及其它结构特征的变化。
32.在牵伸时，纤维低序区的大分子沿纤维轴向的取向度大大提高，同时伴有密度、结晶度等其它结构方面的变化。本发明通过对上述成型的单丝牵伸倍数为6～19倍进行牵伸，由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了氢键、偶极键以及其它类型分子间力，纤维承受外加张力的分子链数目增加了，从而使纤维的断裂强度显著提高，耐磨性和对各种不同类型形变的耐疲劳强度亦明显提高。
33.牵伸的总倍数为湿区牵伸与干区牵伸的乘积，湿区牵伸是在水洗过程中牵伸，因
此湿区牵伸的玻璃化温度条件一般在100℃以下，完成第一阶段的湿态丝束可牵伸过程；第二段牵伸为干区牵伸，丝束经过烘干设备牵伸温度更高，一般在100～180℃，使丝束在更高的温度区域内完成牵伸和分子排序，从而进一步提高原丝强度。
34.优选的，步骤(1)中，水相悬浮聚合反应得到的聚合物的特性粘度为0.20～0.25，所述粉状聚合物的重均分子量大于等于60000；
35.优选的，所述粉状聚合物的重均分子量为60000～110000。
36.进一步地，步骤3)中，烘干的温度为100～190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为10～35个；
37.优选的，步骤3)中dmac凝固浴的浓度为40％～70％；上油浓度为0.5～4.0％。
38.进一步地，步骤2)中，将粉状聚合物溶解于dmac后，经升温、脱泡、过滤、调温得到纺丝原液；
39.步骤2)中，将粉状聚合物溶解于dmac中，升温至65～95℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30～95℃，并进行脱泡，脱泡后过滤得到滤液，调节滤液的温度为50～88℃，得到纺丝原液；
40.优选的，粉状聚合物与dmac的质量比为16～25：84～75；
41.优选的，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为90～100kpa。
42.本发明还提供一种24～50k碳纤维原丝，所述24～50k碳纤维原丝的线密度为2.1～9.0g/m，纤度cv值为7～12％，单丝不同位置的孔径偏差值为-1.46～3.04μm；
43.优选的，24～50k碳纤维原丝的取向度为73～77％，结晶度为80～87％，
44.优选的，单丝数量增加2～4.17％，单丝孔径降低7.88％～16％，原丝断裂强度增加8.0～11.05％；
45.优选的，单丝数量由24k增加到25k，单丝孔径降低8.98-14.6％，原丝断裂强度增加5-14.7％；
46.优选的，原丝的毛丝率为0.08～0.20％，断裂伸长率为13～15.5％，断裂强度为5.7～6.8cn/dtex；
47.优选的，所述原丝在预氧化过程中每90000m的断头个数不高于3个；
48.优选的，原丝的回潮率为0.7～1.2％，dmac含量小于等于500ppm，含油率为0.7～1.7％。
49.本发明还提供一种24～50k碳纤维，碳纤维的断裂伸长率为1.50～2.00％，断裂强度为3.70～4.80gpa；
50.优选的，所述碳纤维的线密度范围为1.05～4.5g/m；
51.优选的，所述碳纤维由上述技术方案所述的碳纤维原丝制成。
52.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
53.采用本发明的制备方法，能够解决合并喷丝板生产大丝束效率低的问题，提升生产效率100～300％，通过本发明的制备方法制备得到的24～50k碳纤维原丝不容易发生粘连、并丝等现象，产品性能指标好，能够满足碳化及下游工业民用的指标性能要求，在国内碳纤维发展史上具有技术里程碑式的意义。
具体实施方式
54.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
55.实施例1
56.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.25；
57.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为80000；
58.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
59.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为22:77，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为95kpa；
60.4)将纺丝原液通过孔数为24000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.40mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为60μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为6.67，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为72μm；
61.纺丝原液以15m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维，初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为2.94g/m的原丝，纺丝速度为100m/min。
62.其中，dmac凝固浴的浓度为50％，温度为52℃，上油浓度为2.0％；牵伸的总倍数为12倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为8倍，干区牵伸的牵伸倍数为1.5倍；烘干的温度为150℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为25个；
63.水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为10级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的12倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为500ppm；
64.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
65.实施例2
66.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.2；
67.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为90000；
68.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至70℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为80℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
69.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为20:80，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为100kpa；
70.4)将纺丝原液通过孔数为35000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.30mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为50μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为6，喷丝孔的长径比为2，喷丝孔的长度为100μm；
71.纺丝原液以25m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为3.675g/m的原丝；
72.其中，dmac凝固浴的浓度为60％，温度为70℃，上油浓度为2.0％；牵伸的总倍数为15倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为7.5倍，干区牵伸的牵伸倍数为2倍；烘干的温度为180℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为20个；
73.水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为11级，梯级水洗的温度为94℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的13倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为450ppm；纺丝速度为100m/min。
74.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
75.实施例3
76.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.23；
77.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为110000；
78.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至65℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为50℃，得到纺丝原液；
79.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为16:84，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为100kpa；
80.4)将纺丝原液通过孔数为48000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.935mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为85μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为11，喷丝孔的长径比为1.7，喷丝孔的长度为144.5μm；
81.纺丝原液以10m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为6.120g/m的原丝；
82.其中，dmac凝固浴的浓度为40％，温度为65℃，上油浓度为0.5％；牵伸的总倍数为17倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为9倍，干区牵伸的牵伸倍数为1.9倍；烘干的温度为100℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为10个，纺丝速度为100m/min。
83.水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为7级，梯级水洗的温度为70℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的8倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为400ppm；
84.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
85.实施例4
86.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.23；
87.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为100000；
88.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至95℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为95℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为88℃，得到纺丝原液；
89.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为25:75，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为100kpa；
90.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.15mm，喷丝板上喷
丝孔的孔径为40μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为3.75，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为48μm；纺丝速度为100m/min。
91.纺丝原液以33m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为6.15g/m的原丝；
92.其中，dmac凝固浴的浓度为70％，温度为70℃，上油浓度为4.0％；牵伸的总倍数为20倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为10倍，干区牵伸的牵伸倍数为2倍；烘干的温度为190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为30个；
93.水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为12级，梯级水洗的温度为99℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的14倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为480ppm；
94.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
95.实施例5
96.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.23；
97.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为60000；
98.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至65℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为50℃，得到纺丝原液；
99.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为28:72，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为90kpa；
100.4)将纺丝原液通过孔数为25000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.15mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为3.75，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为48μm；
101.纺丝原液以33m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为2.1g/m的原丝，纺丝速度为100m/min；
102.其中，dmac凝固浴的浓度为40％，温度为70℃，上油浓度为3.0％；牵伸的总倍数为20倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为10倍，干区牵伸的牵伸倍数为2倍；烘干的温度为190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为30个；
103.水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为7级，梯级水洗的温度为70℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的8倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为100ppm；
104.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
105.实施例6
106.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.23；
107.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为105000；
108.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至65℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为50℃，得到纺丝原液；
109.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为20:80，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为95kpa；
110.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.15mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为3.75，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为48μm；
111.纺丝原液以27m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为9.0g/m的原丝；
112.其中，dmac凝固浴的浓度为40％，温度为70℃，上油浓度为3.0％；牵伸的总倍数为7.98倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为6倍，干区牵伸的牵伸倍数为1.33倍；烘干的温度为190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为30个，纺丝速度为20m/min。
113.步骤(3)中的水洗包括对初生纤维进行功率为50～2500w的超生波震荡波浪水洗超声波，震荡频率为10～90khz，波浪数为5～45个/米；所述水洗温度为60～99℃，水洗后得到的原丝中dmac含量为100ppm；
114.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
115.实施例7
116.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特性粘度为0.23；
117.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为105000；
118.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至65℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为50℃，得到纺丝原液；
119.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为20:80，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为95kpa；
120.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.15mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为3.75，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为48μm；
121.纺丝原液以26m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为9.0g/m的原丝；
122.其中，dmac凝固浴的浓度为40％，温度为70℃，上油浓度为3.0％；牵伸的总倍数为20倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为15倍，干区牵伸的牵伸倍数为1.33倍；烘干的温度为190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为35个，纺丝速度为120m/min；
123.步骤(3)中的水洗包括对初生纤维进行功率为50～2500w的超生波震荡波浪水洗超声波，震荡频率为10～90khz，波浪数为5～45个/米；所述水洗温度为60～99℃，水洗后得到的原丝中dmac含量为100ppm。
124.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
125.实施例8
126.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物，聚合物的特
性粘度为0.23；
127.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物，所述粉状聚合物的重均分子量为105000；
128.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至65℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为30℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为50℃，得到纺丝原液；
129.其中，粉状聚合物与dmac的质量比为20:80，脱泡过程中，脱泡塔的真空度为95kpa；
130.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.15mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为3.75，喷丝孔的长径比为1.2，喷丝孔的长度为48μm；
131.纺丝原液以28m/min的速度喷丝后，进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为9.0g/m的原丝；
132.其中，dmac凝固浴的浓度为40％，温度为70℃，上油浓度为3.0％；牵伸的总倍数为7倍，其中湿区牵伸的牵伸倍数为3.5倍，干区牵伸的牵伸倍数为2倍；烘干的温度为190℃，烘干过程中使用的烘干辊的个数为10个；
133.步骤(3)中的水洗包括对初生纤维进行功率为50～2500w的超生波震荡波浪水洗超声波，震荡频率为10～90khz，波浪数为5～45个/米；所述水洗温度为60～99℃，水洗后得到的原丝中dmac含量为100ppm；
134.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
135.实施例9
136.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
137.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
138.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
139.4)将纺丝原液通过孔数为24000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为60μm，纺丝原液的固含量为22％，喷丝板的直径为120mm，喷丝孔的轴向长度为120μm，喷丝孔的孔间距b为0.36mm，喷丝速度为19.7m/min，出胶量为1.34l/min；
140.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为2.9g/m，纤度为1.23dtex的原丝；
141.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为7级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的8倍，水洗后得到的原丝中dmac含量为500ppm；
142.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
143.实施例10
144.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
145.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
146.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
147.4)将纺丝原液通过孔数为35000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为50μm，纺丝原液的固含量为20％，喷丝板的直径为110mm，喷丝孔的轴向长度为100μm，喷丝孔的孔间距b为0.55mm，喷丝速度为26.8m/min，出胶量为1.84l/min；
148.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为3.7g/m，纤度为1.05dtex的原丝；
149.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为9级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的10倍；
150.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
151.实施例11
152.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
153.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
154.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
155.4)将纺丝原液通过孔数为25000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，纺丝原液的固含量为18％，喷丝板的直径为100mm，喷丝孔的轴向长度为48μm，喷丝孔的孔间距b为0.15mm，喷丝速度为37.2m/min，出胶量为1.17l/min；
156.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为2.1g/m，纤度为0.84dtex的原丝；
157.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为8级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的9倍；
158.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
159.实施例12
160.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
161.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
162.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
163.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为60μm，纺丝原液的固含量为21％，喷丝板的直径为108mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.42mm，喷丝速度为31.8m/min，出胶量为4.5l/min；
164.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为9.0g/m，纤度为1.8dtex的原丝；
165.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为12级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的14倍；
166.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
167.实施例13
168.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
169.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
170.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
171.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，纺丝原液的固含量为18％，喷丝板的直径为108mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.42mm，喷丝速度为35.4m/min，出胶量为2.22l/min；
172.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为4.0g/m，纤度为0.8dtex的原丝；
173.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为12级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的14倍；
174.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
175.实施例14
176.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
177.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
178.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
179.4)将纺丝原液通过孔数为48000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，纺丝原液的固含量为20％，喷丝板的直径为108mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.42mm，喷丝速度为49.8m/min，出胶量为3.0l/min；
180.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为6.0g/m，纤度为1.25dtex的原丝；
181.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为11级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的13倍；
182.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
183.实施例15
184.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
185.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
186.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
187.4)将纺丝原液通过孔数为35000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，纺丝原
液的固含量为18％，喷丝板的直径为108mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.42mm，喷丝速度为50.6m/min，出胶量为2.22l/min；
188.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为4.0g/m，纤度为1.14dtex的原丝；
189.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为10级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的11倍；
190.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
191.实施例16
192.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
193.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
194.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
195.4)将纺丝原液通过孔数为25000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为50μm，纺丝原液的固含量为20％，喷丝板的直径为100mm，喷丝孔的轴向长度为108μm，喷丝孔的孔间距b为0.5mm，喷丝速度为30.6m/min，出胶量为1.50l/min；
196.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为3.0g/m，纤度为1.2dtex的原丝；
197.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为9级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的11倍；
198.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
199.实施例17
200.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
201.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
202.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
203.4)将纺丝原液通过孔数为24000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为40μm，纺丝原液的固含量为16％，喷丝板的直径为108mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.42mm，喷丝速度为43.5m/min，出胶量为1.31l/min；
204.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为2.1g/m，纤度为0.88dtex的原丝；
205.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为7级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的8倍；
206.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
207.实施例18
208.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连
续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
209.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
210.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
211.4)将纺丝原液通过孔数为50000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为50μm，纺丝原液的固含量为18％，喷丝板的直径为125mm，喷丝孔的轴向长度为100μm，喷丝孔的孔间距b为0.40mm，喷丝速度为44.2m/min，出胶量为2.5l/min；
212.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为4.5g/m，纤度为1.00dtex的原丝；
213.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为12级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的14倍；
214.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
215.实施例19
216.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
217.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
218.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
219.4)将纺丝原液通过孔数为36000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为70μm，纺丝原液的固含量为26％，喷丝板的直径为140mm，喷丝孔的轴向长度为105μm，喷丝孔的孔间距b为0.56mm，喷丝速度为18m/min，出胶量为4.5l/min；
220.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得到线密度为6.5g/m，纤度为1.81dtex的原丝；
221.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为11级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的12倍；
222.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
223.实施例20
224.1)将丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸三种单体混合得到混合物，再将所得混合物连续加至水溶剂中以调节混合物浓度，然后进行水相悬浮聚合反应得到聚合物；
225.2)聚合物经螯合反应终止，用汽提塔脱出未反应的单体，然后经水洗过滤机除去盐分、水分，造粒成型后经烘干得到粉状聚合物；
226.3)将粉状聚合物溶解于dmac中，经升温至80℃，得到过滤胶，控制过滤胶的温度为60℃、脱泡、过滤得到滤液、调节滤液的温度为60℃，得到纺丝原液；
227.4)将纺丝原液通过孔数为30000的喷丝板，喷丝板上喷丝孔的孔径为85μm，纺丝原液的固含量为28％，喷丝板的直径为120mm，喷丝孔的轴向长度为90μm，喷丝孔的孔间距b为0.60mm，喷丝速度为15m/min，出胶量为2.89l/min；
228.喷丝后进入dmac凝固浴得到初生纤维；初生纤维经水洗、牵伸、上油、烘干、定型得
到线密度为5.4g/m，纤度为1.8dtex的原丝；
229.其中，水洗为梯级水洗方式，梯级水洗的级数为10级，梯级水洗的温度为89℃，梯级水洗的用水量为原丝重量的11倍；
230.5)原丝经低温碳化、高温碳化、表面处理、干燥、上浆、干燥得到碳纤维。
231.本发明分别对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的原丝的性能参数进行了检测，具体包括原丝的线密度、线密度cv值、单纤纤度、纤度cv值、断裂强度、断裂伸长率、含油率、回潮率、取向度、结晶度和dmac含量等。检测结果如下表1所示：
232.表1：
[0233][0234][0235]
由表1可知，通过上述制备方法制备得到的碳纤维原丝的具有较大的取向度和结晶度。碳纤维原丝的结晶度越高，结晶区所占整根纤维的百分比就越大，因为结晶区结构致密、密度大、分子间有较多坚固连接点，致使纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺寸稳定性、密度会相应增大。原丝的取向度越高，纤维的强度、模量也越高。原丝的力学性能较好，既解决了合并喷丝板生产大丝束效率低的问题，又使得产品性能指标能得到了保证和满足。
[0236]
本发明由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的原丝制备碳纤维，并对碳纤维的断裂伸长率、断裂强度和线密度进行了检测，检测结果如下表2所示：
[0237]
表2：
[0238]
实施例品种线密度g/m断裂强度gpa断裂伸长率％124k1.473.72.00235k1.8384.01.8348k3.064.71.75450k3.084.81.50
[0239]
由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4的碳纤维原丝制备得到的碳纤维的断裂强度为3.7～4.8gpa，即得到的碳纤维的力学性能优异。
[0240]
本发明对由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的原丝的毛丝率进行了监测，其中毛丝率＝毛丝轴数/总轴数。
[0241]
本发明中，毛丝检测标准如下表3所示：
[0242]
表3：
[0243][0244][0245]
根据表3的检测标准，若检测的单轴原丝中，毛丝不符合表3中的检测标准，则视为该轴原丝不合格，即为毛丝轴。
[0246]
根据表3的检测标准，若检测的单轴原丝中，毛丝不符合表3中的检测标准，则视为该轴原丝不合格，即为毛丝轴。
[0247]
本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4的原丝的毛丝率如下表4所示：
[0248]
表4：
[0249]
实施例品种毛丝率％124k0.08235k0.10348k0.18450k0.20
[0250]
根据表4可知，由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的原丝的毛丝率低。即通过本发明制备得到的原丝品质好，且成产效率高。
[0251]
实验例1
[0252]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为27m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0253]
实验例2
[0254]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为31m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0255]
实验例3
[0256]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为34m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0257]
实验例4
[0258]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为36m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0259]
实验例5
[0260]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为38m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0261]
实验例6
[0262]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为42m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0263]
实验例7
[0264]
本实验例是在实施例2的基础上，将步骤(5)中的喷丝速度调整为55m/min，其他实施方式按照实施例2进行，制得碳纤维原丝及碳纤维。
[0265]
分别对实验例1～7制得的碳纤维原丝进行性能测试，结果如下表5所示：
[0266]
表5：
[0267][0268]
由上表可知，本发明通过选择特定孔数的喷丝板，并调节喷丝速度，使得经喷丝制得的单丝的线密度具有较小的偏差，而通过上述调节可控制丝束中单丝的纤度，对单丝实施的细旦化处理使后续形成24～50k原丝具有更大的比表面积，在有利于水洗除溶剂残留的同时，还可使凝固浴成型时丝束的相扩散过程更为均匀，改善纤维内部的结构，最终获得性能良好的原丝制品。
[0269]
此外，本发明分别对实验例1～7制得的碳纤维进行性能测试，测试得到碳纤维接丝点的线密度范围为1.570～3.17g/m，碳纤维接丝点的断裂强度不小于4.5gpa。由于对原丝进行了细旦化处理，在单丝孔径较小的情况下，原丝在预氧化和碳化过程中，其接丝点的放热过程较为缓和，因此不会在此过程中产生因放热烧断的情况，极大提高了原丝制备碳纤维的产量和生产效率。此外，经过碳化的纤维在所述接丝点的位置也具有较好的强度和较为均匀的线密度，进一步说明质量稳定的原丝对碳纤维制备的影响。
[0270]
实验例8
[0271]
采用实施例1的制备方法，区别仅在于：将纺丝原液通过孔数为25000的喷丝板，喷丝板的孔间距为0.450mm，喷丝板上喷丝孔的孔径为50μm，喷丝孔的孔间距与孔径的比为9，喷丝孔的长径比为1，喷丝孔的长度为50μm，制备25k碳纤维原丝。
[0272]
对实施例1和实验例8得到的聚丙烯腈碳纤维原丝的单丝孔径和原丝断裂强度进行了测试，结果如下表6所示：
[0273]
表6：
[0274][0275]
由表6可知，单丝数量由24k增加到25k，单丝孔径降低8.98-14.6％，聚丙烯腈碳纤维原丝断裂强度增加5-14.7％。即通过增加聚丙烯腈碳纤维原丝的单丝根数，减小了单丝孔径，增大了原丝的断裂强度，改善了原丝的力学性能。
[0276]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本发明的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。