[发明专利]一种沥青基碳纤维短丝的制取方法有效

专利信息
申请号: 201110071218.2 申请日: 2011-03-24
公开(公告)号: CN102691135A 公开(公告)日: 2012-09-26
发明(设计)人: 杨正锋;吴继发;刘顺同;肖坤后 申请(专利权)人: 邵阳纺织机械有限责任公司
主分类号: D01F9/145 分类号: D01F9/145;D01D1/04;D01D1/09;D01D1/10;D01D5/08;D01D11/00
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地址: 422000 湖南*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 沥青 碳纤维 制取 方法
【说明书】:

所属技术领域:

发明涉及一种以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法,主要由螺杆熔融、过滤、计量、模头熔喷纺丝、热风切断、负压吸附成网、预氧化、松弛碳化等工序组成,属于高分子材料的制取方法。

背景技术:

碳纤维是指含碳量在90%以上的纤维。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热传导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性。碳纤维的原丝有三种:即腈纶原丝、沥青原丝和粘胶原丝。使用沥青原丝碳化而成的纤维称为沥青基碳纤维。碳纤维一般都是长丝卷绕成饼状的成品,随着碳纤维下游市场的发展,需要碳纤维短丝作为填料添加到聚四氟乙烯等工程材料中,以提高制品耐磨性,使其在常温或高温下均具有良好的抗蠕变性能,获得较好的增强效果。通常直接用碳纤维长丝切断成为短丝。这种方法存在一个缺点:设备产量低,造成碳纤维短丝的价格高,因为长丝通常采用湿法纺丝,流程长,速度低,每束丝束在牵伸、预氧化、碳化时都要单独分开,不得加捻。而市场上所需要的短丝在品质、纤维形态方面并没有这么高的要求。

发明内容:

本发明提供一种产量高、流程短、投资少,产品价格便宜的以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法。该方法采用熔喷熔融纺丝,纺丝后直接切断,形成纤维毡,再进行预氧化、碳化处理,因此大大缩短了短纤维制取的流程,同时提高了生产线的产量。

本发明是这样实现的:以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取是通过以下工序实现的:

a.螺杆熔融

沥青切片均匀喂入到螺杆后,在螺杆挤压机内加热熔化成液态熔体,并将熔体内的少量气泡排出,然后经充分混炼、计量,熔体压力升高到4~6MPa,送入插板式过滤器。

b.过滤

采用插板式过滤器,可以在线切换,过滤精度10~80μm,过滤材料为金属滤网,过滤器外围设置电加热板保温。

c.计量

通过计量泵精确计量,以保证纤维的纤度CV值(条干不匀率),同时使计量后的熔体压力升高到符合纺丝组件要求的范围

d.模头熔喷纺丝

纺丝采用单衣架模头熔喷纺丝法,经计量后的熔体送入到纺丝模头,单衣架纺丝模头的作用是将熔体均匀分配到细长(长宽比值约50∶1到100∶1)的纺丝组件内,并确保在整个幅宽范围内的任意喷丝孔的压力一致。从纺丝组件喷丝后形成幅宽0.5~3.0m丝束帘。

e.热风切断

在喷丝板的下方设置热风切断装置,目的是将尚未完全凝固的长纤维切断成一定长度的短纤维。两股高压热风以一定角度同向夹持丝束,对纤维进行拉伸,当纤维受到的拉伸力大于喷丝板出口处纤维的强度时,纤维就被拉断成短纤维。

f.负压吸附成网

短纤维经热风切断后掉入到预氧化机的网链上。由于沥青基碳纤维短丝比重小,纤维易到处飞散,因此在网链的下方设置负压吸附装置,吸附装置的吸风口设置锥形分配室,吸风管与锥形分配室相连。吸风管上均匀开设吸风小孔。吸风时在网链上方形成一定速度的气流,气流夹带短纤维流向网链,在网链上堆积成一定厚度的纤维毡。

g.预氧化

采用层叠式预氧化机,一般设置2~5层。向预氧化机内通入热空气(空气是氧气和氮气的混合物),纤维在热空气的作用下被加热,氧原子渗透并扩散到到纤维芯部,并与沥青分子结合,从而提高纤维的熔点,以便后一步工序碳化的进行。由于氧分子的扩散速度较慢,预氧化时间较长,因此预氧化机设置成2~5层,以减小设备长度,降低厂房投资成本。

h.松弛碳化

碳化的目的是使纤维中的碳形成均匀的石墨化晶体结构,提高纤维的强度和模量。碳化是在1000℃以上,并在松弛状态下进行的。为了使纤维高温碳化时不被氧化,设备内通入氮气进行保护。碳化炉分区实行温度阶梯控制,最高温度1200℃。

应用本发明方法,在制取以沥青切片为原料的碳纤维短丝过程中,具有以下优点:

1.工艺流程短,投资少。由于直接采用沥青切片熔喷纺丝,大大缩短了工艺流程,减小了设备及厂房配套设施的投资成本,而沥青切片的原料目前市场上供应充足。

2.设备运行成本低,环保节能,无环境污染。在整个生产过程中,没有废水、废气、废渣等影响环境的污染产生,同时,由于采用了多项节能措施,能耗大为降低。如:采用层叠式预氧化机,设备的散热面积只有普通预氧化机的三分之一;风切装置采用高压气流,降低了热空气的用量。

3.成品价格低。采用该发明制取的碳纤维短丝价格,与采用碳纤维长丝切断相比,仅后者产品价格的三分之一,具有很大的价格优势。

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