[发明专利]一种碳纤维前驱体纤维的制备方法及碳纤维前驱体纤维的应用

说明书

一种碳纤维前驱体纤维的制备方法及碳纤维前驱体纤维的应用是利用溶剂对丙烯腈类聚合物进行溶解，获得均匀的纺丝液，纺丝液通过喷丝孔形成纺丝细流后进入到低于纺丝液凝胶温度点的凝固浴组分中形成初生纤维，上述初生纤维经过牵伸、洗涤、干燥、上油后处理工序，得到碳纤维前驱体纤维。碳纤维前驱体纤维再经过预氧化和碳化得到预氧化纤维或碳纤维。本发明具有在高倍牵伸条件下，低成本，纤维性能好，稳定生产的优点。

技术领域

本发明涉及一种化纤产品及其制备方法，具体的说是一种碳纤维前驱体纤维及其制备方法、以及使用该碳纤维前驱体纤维生产预氧化纤维或碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀等优异性能，以其为增强体的复合材料已经广泛用于航空航天、国防工业、体育用品、新汽车工业和新能源等领域。目前，使用最广泛的碳纤维是聚丙烯腈(以下有时简称PAN)基碳纤维，其制备方法将丙烯腈和某些单体共聚获得PAN，利用含有PAN的纺丝液通过湿法纺丝、干法纺丝或干喷湿法获得PAN初生纤维，通过后处理得到碳纤维前驱体纤维(有时简称为碳纤维原丝)，然后在200～400℃温度、氧化性气氛条件下对碳纤维原丝进行预氧化处理，获得氧化纤维(有时称为氧化丝、阻燃纤维、耐燃纤维、预氧化纤维)；最后，在高温条件下(一般大于1000℃)、惰性气氛下对氧化纤维进行碳化处理，如在更高温度处理(一般大于2500℃)、惰性气氛下进行处理，获得石墨化碳纤维。

为了获得高性能的碳纤维，在上述碳纤维的制备过程中，通常通过提高纤维束的张力、或者设定高倍牵伸率(简称为拉伸比、牵伸倍数、拉伸倍数)，但是牵伸倍数或张力越高，越多产生毛丝、断纱，严重时使得纤维束断裂，影响整个纤维性能和品质。在纤维拉伸过程中所产生的毛丝在棍上或炉口上容易堆积，也容易损坏后续的纤维束正常运行和生产。因此，为了稳定生产，无法设定为足以得到高性能碳纤维的高牵伸倍率，不得不选择一个折中的牵伸倍率。

碳纤维前驱体纤维的性能决定了后续碳纤维的品质。在碳纤维前驱体纤维的制备过程中，期望在高总牵倍数条件下获得细旦化、均质、致密的碳纤维前驱体纤维，以提高纤维性能。在纤维的制备过程中，总牵伸倍数与多种因素有关，如纺丝液固化量、粘度、喷丝孔直径大小、喷丝速度、纺丝方法等。

已知的纤维制备方法有多种，如湿法纺丝、干法纺丝、干喷湿法纺丝和静电纺丝。在湿法纺丝过程中，纺丝液是直接从喷丝孔中喷入凝固浴里，使得纺丝液细流凝固变成纤维。有时将纺丝液细流的凝固过程分配到多个凝固槽中连续或间接进行，一般按照凝固过程所用的凝固槽的顺序，将凝固槽依次称为第一凝固浴(或凝固一浴)、第二凝固浴等；而相对应的牵伸倍数称为第一牵伸倍数(也称为喷丝头牵伸倍数、一浴牵伸倍数、喷丝头牵倍、一浴拉伸比)、第二牵伸倍数(也称为二浴牵伸倍数)等。当纤维在第一凝固浴中被牵伸时，主要的牵伸力会集中到喷丝孔与凝固浴接触的面上，而此时的纺丝液还是液体，所能承受的最大应力有限，因此湿法纺丝在凝固浴阶段所能承受的最高牵伸倍数很小，一般在第一凝固浴中的牵伸倍数小于1。由于纺丝液细流直接与凝固浴接触发生凝固，使得纤维在牵伸应力的作用下，纤维自身变形的能力减弱，这限制了湿法纺丝在第一凝固浴中的最高牵伸倍数。如果纺丝液细流进入凝固浴后，没有发生凝固，那么纺丝过程中，纤维自身变形能力很强，但是纺丝液细流本身所能承受的最大应力有限，同样限制了第一凝固浴牵伸倍数。同理，纤维在后续的凝固浴中的牵伸倍数也受到限制，使得湿法纺丝中总牵倍倍数受到限制。

干法纺丝过程中，纺丝液细流从喷丝孔喷出后直接进入高温气氛中，纺丝液中的溶剂在高温条件下直接挥发，使得纺丝液细流因浓缩而凝固。纺丝液细流在高温气氛环境下，纺丝液粘度变小，溶剂挥发使得纺丝液细流处于蒸发浓缩凝固状态，凝固进程较快，使得纺丝液细流的变形能力得到极大的提高。因而，喷丝头最大牵伸倍数比湿法纺丝大。但是由于牵伸时，纺丝液细流仍然含有较多的液体，使得纤维所能承受的牵伸应力或牵伸倍数有限，使得干法纺丝过程中的最高牵伸数仍然受到限制。