[发明专利]聚丙烯腈基碳纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，主要解决现有技术中存在的碳纤维毛丝多、力学性能差和低炭炉排焦量大的问题。本发明采用一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括上油和干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型、热稳定化、碳化的步骤；其特征在于，所述上油和干燥致密化至少有两道，且至少一道在蒸汽牵伸和热定型步骤之前进行，至少一道在蒸汽牵伸和热定型步骤之后进行的技术方案，较好地解决了该问题，可用于制备高性能碳纤维的生产中。

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，属于聚丙烯腈碳纤维制备技术领域。

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基碳纤维原丝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原丝的主流。

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，油剂可以渗透到原丝内，但大部分的油剂仍然停留在原丝表面，油剂可以保护原丝不被刮伤，还可以提高原丝的集束性和抗静电性，避免原丝在进一步的后处理过程中发生并丝和断丝。原丝的上油量要适当，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。

对于聚丙烯腈基碳纤维原丝来讲，一般采用两道上油的方法。第一道上油均匀涂覆在原丝表面，提高原丝的集束形和抗静电性，保护现为表面，并提高其后道的可纺性；第二道上油主要针对原丝的耐湿热性能，避免其在后道的高温处理中熔并。

聚丙烯腈的热稳定化是将聚丙烯腈前驱体的线性大分子链转化为耐热的梯型聚合物结构，使其在后续的碳化过程中不熔不燃，保持热力学稳定状态，是制备高性能碳纤维的关键步骤。

聚丙烯腈前驱体在热稳定化过程中主要发生环化反应和氧化反应，其环化程度和氧化程度对最终碳纤维的性能具有显著影响。如果热稳定化温度太低或时间太短，聚丙烯腈纤维中不能形成足够的耐热结构，会造成后续高温处理中过量分子链的断裂，从而产生缺陷影响最终碳纤维的性能；如果热稳定化温度太高或时间太长，纤维内可能形成过多的含氧结构，在后续的高温热处理中以CO或CO₂的形式逸出，带走骨架中的碳，并留下许多孔洞，同样会造成纤维内部的结构缺陷，使最终碳纤维的碳化收率和力学性能严重下降。

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，可以提高原丝集束性，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原丝，大大降低了单丝粘连和并丝现象，减少了原丝的表面缺陷，提高了原丝的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是是现有技术中存在的碳纤维毛丝多、力学性能差和低炭炉排焦量大的问题，提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，该方法具有碳纤维毛丝少、低炭炉的排焦量小、低炭炉内二氧化硅的残留量低、聚丙烯腈基碳纤维拉伸强度和拉伸模量高等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括上油和干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型、热稳定化、碳化的步骤；其中，所述上油和干燥致密化至少有两道，且至少一道在蒸汽牵伸和热定型步骤之前进行，至少一道在蒸汽牵伸和热定型步骤之后进行。

上述技术方案中，所述上油和干燥致密化优选有n道，具体包括以下步骤：

a)将来自水洗后的聚丙烯腈原丝，进入第一道上油、挤压辊挤压后，进入第一道干燥致密化；

b)将得到的聚丙烯腈原丝进行第二道～第x道上油和干燥致密化；

c)将得到的聚丙烯腈原丝进行蒸汽牵伸和热定型；