[发明专利]高性能湿纺聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法，主要解决现有技术中存在的预氧化过程易产生毛丝、碳纤维力学性能差的问题。本发明通过采用一种聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法，采用湿法纺丝，包括蒸汽牵伸的步骤，其中，蒸汽牵伸过程中每根纤维承受张力至少为1mN，纤维所承受的张力小于等于纤维断裂强力的10％的技术方案，较好的解决了该问题，可用聚丙烯腈碳纤维原丝的工业生产中。

技术领域

本发明涉及一种高性能聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法，更具体的说，本发明涉及一种以二甲基亚砜为溶剂的湿法纺丝制备聚丙烯腈碳纤维原丝的方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在90％及以上的无机纤维，具有质量轻、比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗疲劳等一系列的优势，碳纤维与各种基体经复合工艺制得的复合材料性能优异，在汽车轻量化、风力发电叶片、体育休闲用品等领域得到了广泛的应用。

可制备碳纤维的前驱体有聚丙烯腈基、黏胶基和沥青基等三大原料体系。其中聚丙烯腈基碳纤维因其制备过程简单，碳纤维性能优异等优势，得到了迅速的发展，产量最大。

聚丙烯腈基碳纤维的制备过程包括碳纤维原丝制备和原丝的氧化碳化处理。碳纤维原丝是制备碳纤维的关键，高质量的碳纤维原丝是制备高性能碳纤维的基础，如何制备高质量的碳纤维原丝一直以来是碳纤维制备过程的重点和难点。碳纤维原丝的制备过程按其纺丝过程的不同可分为湿法纺丝和干喷湿法纺丝。湿法纺丝具有过程易控、纤维溶剂残留量少、制备出的碳纤维与复合材料结合性能好等优势，是制备碳纤维原丝的重要方法之一。

可通过湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的溶剂体系有多种，目前已实现工业生产的有硫氰酸钠体系、二甲基亚砜体系、二甲基乙酰胺等，其中以二甲基亚砜作为溶剂制备聚丙烯腈基碳纤维原丝具有毒性较小、聚丙烯腈共聚物在溶剂中的溶解度大等特点，是湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的重要方法。

蒸汽牵伸是湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝过程中重要的一个步骤。专利JP1983214526A、JP2004076208A公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，采用湿法纺丝方法，专利仅公布了初生纤维的张力，未公布蒸汽牵伸过程中适合纤维的张力。通过湿法纺丝制备的纤维在蒸汽牵伸前具有与干喷湿法纺丝显著不同的表面结构，其具有明显的“沟槽”结构，使其比表面积明显大于干喷湿法纺丝纤维，在蒸汽牵伸过程中，蒸汽不可避免的冲击丝束，使得丝束之间发生显著的摩擦，更易使后续预氧化过程中产生较多的毛丝，最终导致碳纤维力学性能变差。同时，湿法纺丝制备纤维明显的“沟槽”结构，使得纤维在牵伸过程中易产生应力集中点，拉伸过程张力的控制较干喷湿法纺丝过程相比更为重要。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明主要解决的技术问题现有技术中存在的聚丙烯腈纤维作为碳纤维前驱体制备碳纤维过程中存在的预氧化过程易产生毛丝、碳纤维力学性能差的问题。提供一种聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法，较好的解决了该问题，具有预氧化过程中毛丝少、碳纤维力学性能好的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈碳纤维原丝的制造方法，采用湿法纺丝，包括蒸汽牵伸的步骤，其中，蒸汽牵伸过程中每根纤维承受张力至少为1mN，纤维所承受的张力小于等于纤维断裂强力的10％。

上述技术方案中，所述蒸汽牵伸过程中每根纤维承受张力至少为2mN。

上述技术方案中，所述制造方法还包括将聚丙烯腈纺丝原液通过湿法凝固成型、多级凝固牵伸、水洗、热水牵伸、一次上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、二次上油、二次干燥和收丝的步骤，得到所述聚丙烯腈碳纤维原丝。

上述技术方案中，所述聚丙烯腈纺丝原液中聚丙烯腈固含量17-22％，原液特性粘度1.7-2.5dL/g。

上述技术方案中，所述原丝制备时多级凝固牵伸为温度20-70℃的多道牵伸，牵伸比为1-2。