一种采用原丝拉伸技术制备高强高模碳纤维的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201510687523.2

申请日:

2015.10.21

公开号:

CN105200566A

公开日:

2015.12.30

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):D01F 9/22申请日:20151021|||公开

IPC分类号:

D01F9/22; D01F11/14

主分类号:

D01F9/22

申请人:

西北化工研究院

发明人:

张力; 陈黎; 王小安; 张晓利; 张华东

地址:

710600 陕西省西安市临潼区火车站街1号

优先权:

专利代理机构:

北京君智知识产权代理事务所 11305

代理人:

黄绿雯

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内容摘要

本发明涉及一种采用原丝拉伸技术生产高强度高模量碳纤维的方法,该方法包括纺丝液制备及湿法纺丝、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理、原丝拉伸成原丝纤维、纤维预氧化及碳化等步骤。本发明能够有效地减少纤维再原丝制备过程中微观结构的缺陷,与未施加本工艺纤维相比,预氧化用纤维取向度进一步提高,碳化后纤维力学性能显著提高;由于纤维在玻璃化温度以上再次拉伸,使得纤维纤度降低,高温处理过程中比表面积增大,有效地提高了热处理效率;经过本发明工艺处理,明显的改进了纤维质量。

权利要求书

1.  一种采用原丝拉伸技术生产高强度高模量碳纤维的方法,其特征在于该方法的步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种溶液,让所述的溶液置于压力3.0~4.0kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,然后使用烛芯式过滤器进行过滤,得到在温度60℃时粘度为500~1600泊、固体含量为以重量计16~20%的纺丝液;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.05~0.08mm、长径比不超过1.5的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度48~52℃、浓度以重量计35~45%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.5~3.0min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度32~38℃、浓度以重量计35~45%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.0~2.0min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度22~28℃、浓度以重量计5~10%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.5~1.0min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度75~85℃的水浴中预拉伸1.2~1.8倍,然后使用温度40~60℃的洗涤水洗涤,最后置于氨基硅氧烷乳液中处理,得到一种上油纤维;然后
让所述的上油纤维在温度160~180℃下进行干燥致密化处理,接着通过热风箱在温度100~110℃下进行热松弛处理,得到一种干热处 理纤维;这种干热处理纤维再进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,然后干燥得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸原丝纤维;
让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度150~160℃与空气的条件下进行拉伸处理,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度200~300℃下进行热稳定化处理,接着在氮气气氛下通过温度为600~800℃的低温碳化炉处理,再在超纯氮气气氛下通过温度为1200~1400℃的高温碳化炉处理,这样得到所述的碳纤维。

2.
  根据权利要求1所述的生产方法,其特征在于在步骤A中,所述的纺丝液含有以重量计95%以上聚丙烯腈与0.5~5.0%不饱和羧酸共聚单体。

3.
  根据权利要求1所述生产方法,其特征在于在步骤A中,所述喷丝板的孔数为1000~3000个。

4.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤B中,洗涤的凝固纤维含有以重量计5ppm以下的金属离子与0.005~0.02%残留溶剂。

5.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤B中,所述的凝固纤维在洗涤后在氨基硅氧烷乳液中处理0.5~1.0min。

6.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤B中,所述上油纤维的干燥致密化处理时间是30~60s,热松弛处理时间是10~20秒。

7.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤B中,蒸汽高温高压高倍牵伸处理的饱和水蒸气压力是0.5~-0.01MPa,牵伸倍率是1.2~2.5倍。

8.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤C中,聚丙烯腈原丝纤维拉伸处理时间4~6分钟,拉伸倍率是2~5倍。

9.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤D中,所述的拉伸原丝纤维热稳定化处理时间是50~60。

10.
  根据权利要求1所述的方法,其特征在于在步骤D中,所述的拉伸原丝在热稳定化处理后在低温碳化炉中处理0.5~1.5min;在高温碳化炉处理0.2~1.0min。

说明书

一种采用原丝拉伸技术制备高强高模碳纤维的方法
技术领域
本发明属于高性能纤维加工技术领域。更具体地,本发明涉及一种采用原丝拉伸技术制备高强高模碳纤维的方法。
背景技术
高强高模量碳纤维是由聚丙烯腈有机纤维经过碳化处理制得的特种纤维,其具有高比强度、比模量、导电性、热膨胀系数低和抗腐蚀等优异特性。利用其柔性、各向异性特点经过编织,常作为复合材料增强体材料广泛的应用于军事、民用工业等领域。
碳纤维制备工艺复杂,工序繁琐、设备工艺要求高,优质的聚丙烯腈纤维是制备高强、高模碳纤维的前提,其质量的优劣将直接影响到最终纤维质量。聚丙烯腈纤维通常采用湿法纺丝和干湿法纺丝技术,经过多级牵伸、然后用大量的水洗去残留溶剂,经过上油、干燥热定型等工序得到原丝纤维,再经过200~350℃纤维热稳定化处理,再将预氧化纤维分别通过600~900℃低温碳化和1200~1400℃高温碳化处理得到最终高性能碳纤维。为了提高纤维热性能、减少预氧化时间等,通常采用纤维改性、提高热处理升温速率等方法。例如,CN104313717A涉及高倍牵伸下,减少纤维内应力,增加纤维取向度进而提高纤维热稳定性。CN101235568A及CN02247164均涉及硼盐改性原丝纤维,增加纤维预氧化效果,实现提高纤维某一种效果。
以上专利申请对现有设备需要进行较大的改动,设备加工繁琐,或者再改善纤维热稳定性的同时引入了其他无机元素,再高温碳化过程中将严重影响纤维的力学性能,性能不增反减。
当前,高温处理聚丙烯腈原丝纤维的工序中,多集中于预氧化梯度、预氧化时间、低/高温碳化温度及牵伸倍率等工艺的研究,却往往容易遗漏物理拉伸原丝纤维提高纤维性能的方法。
本发明人弥补了原丝纤维的热处理工序,在总结现有技术的基础上,通过大量实验研究与分析,完成了本发明。
发明内容
[要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种采用原丝拉伸技术生产高强高模碳纤维的方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种具有高强度聚丙烯腈纤维的生产方法。
该方法的步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种溶液,让所述的溶液置于压力3.0~4.0kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,然后使用烛芯式过滤器进行过滤,得到在温度60℃时粘度为500~1600泊、固体含量为以重量计16~20%的纺丝液;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.05~0.08mm、长径比不超过1.5的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度48~52℃、浓度以重量计35~45%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.5~3.0min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度32~38℃、浓度以重量计35~45%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.0~2.0min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度22~28℃、浓度以重量计5~10%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.5~1.0min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度75~85℃的水浴中预拉伸1.2~1.8倍,然后使用温度40~60℃的洗涤水洗涤,最后置于氨基硅氧烷乳液中处理,得到一种上油纤维;然后
让所述的上油纤维在温度160~180℃下进行干燥致密化处理,接着通过热风箱在温度100~110℃下进行热松弛处理,得到一种干热处理纤维;这种干热处理纤维再进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,然后干燥,得到一种聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度150~160℃与空气的条件下进行拉伸处理,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度200~300℃下进行热稳定化处理,接着在氮气气氛与温度600~800℃的条件下通过低温碳化炉进行处理,再在超纯氮气气氛与温度1200~1400℃的条件下通过高温碳化炉进行处理,这样得到所述的碳纤维。
根据本发明的一种优选实施方式,在步骤A中,所述的纺丝液含有以重量计95%以上聚丙烯腈与0.5~5.0%不饱和羧酸共聚单体。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤A中,所述喷丝板的孔数为1000~3000个。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤B中,洗涤的凝固纤维含有以重量计5ppm以下的金属离子与0.005~0.02%残留溶剂。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤B中,所述的凝固纤维在洗涤后在氨基硅氧烷乳液中处理0.5~1.0min。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤B中,所述上油纤维的干燥致密化处理时间是30~60s,热松弛处理时间是10~20秒。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤B中,蒸汽高温高压高倍牵伸处理的饱和水蒸气压力是0.5~-0.01MPa,牵伸倍率是1.2~2.5倍。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤C中,聚丙烯腈原丝纤维拉伸处理时间4~6分钟,拉伸倍率是2~5倍。
根据本发明的另一种优选实施方式,在步骤D中,所述的拉伸原丝纤维热稳定化处理时间是50~60分钟。
根据本发明的另一种优选实施方式,在于在步骤D中,所述的拉伸原丝在热稳定化处理后在低温碳化炉中处理0.5~1.5min;在高温碳化炉处理0.2~1.0min。
下面将更详细地描述本发明。
本发明涉及一种原丝拉伸技术实现高强高模碳纤维方法。
针对现有碳纤维性能低下、CV值较大,本发明利用一种原丝再拉伸工艺,能有效的减少纤维微观损伤,提高最终碳纤维强度、模量及生产效率,实现高强高模量碳纤维的生产。
本发明方法能够让其纤维在第二玻璃化温度以上进行再次取向,使得纤维结晶度提高,能够进一步减少纤维微孔和纤度。本发明方法能够使纤维在预氧化工序中更加有效地进行热稳定化处理。本方法易实施、工艺简单,仅需在预氧化炉前增设2米左右的热风炉,无需对现有设备或公用工程进行大量改装。本发明方法能够使得纤维纤度降低,速度提高,从而使得在整个碳纤维生产工序中时间缩短、能耗减少,适合高性能聚丙烯腈基碳纤维工业化生产。
根据本发明,让纺丝液通过湿法(或干湿法)纺丝,经导丝辊进入多级凝固浴并实施初级牵伸,在水洗工序后纤维中溶剂残留率符合要求,经上油和干燥致密化热处理后,随后经过高温高压蒸汽牵伸后,干燥,制得聚丙烯腈原丝纤维。在热风作用下,再次进行纤维拉伸,然后经过热稳定化及低、高温碳化处理。再次拉伸原丝纤维能够有效的减少纤维纤度,提高取向度、结晶度,提高纤维预氧化及碳化效率,减少纤维微观损伤;有效的提高了聚丙烯腈原丝纤维的力学性能。
该方法的步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种溶液,让所述的溶液置于压力3.0~4.0kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,然后使用烛芯式过滤器进行过滤,得到在温度60℃时粘度为500~1600泊、固体含量为以重量计16~20%的纺丝液;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.05~0.08mm、长径比不超过1.5的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
聚丙烯腈是由单体丙烯腈经自由基聚合反应得到的,其主要用于生产聚丙烯腈纤维,聚丙烯腈纤维强度不高,耐磨性和抗疲劳性也较差。
本发明使用的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物是目前市场上销售的产品,例如由北京化工有限公司、上海金锦乐实业有限公司、沈阳化学试剂厂、山东齐鲁石化齐泰石油化工有限公司以商品名丙烯腈销售的产品。
在本发明使用的聚丙烯腈纺丝液中,聚丙烯腈的含量为以重量计95%以上,不饱和羧酸共聚单体的含量为以重量计0.5~5.0%。
在本发明中,在脱除所述溶液中的单体与气泡时,如果所述压力低于3.0kPa,则脱除单体与气泡效果不明显;如果所述压力高于4.0kPa,则其效果也不佳;因此,所述的压力为3.0~4.0kPa是合适的,优选地是3.2~3.8;更优选地是3.4~3.6kPa。
在这个步骤中,脱除单体与气泡应该达到纺丝液澄清、无气泡的程度,因此可以采用目测方法检测脱除单体与气泡效果。
脱除单体与气泡再进行过滤。本发明使用的烛芯式过滤器是一种用于纺丝机的烛芯过滤器,它的滤网为三层金属滤网结构,其中包括内层支撑网、中层过滤网以及外层护网。本发明使用的烛芯式过滤器是目前市场上销售的产品,例如由上海润岚过滤设备有限公司以商品名RH-ZS烛式过滤器、上海思滤环保设备有限公司以商品名思滤SL-ACF过滤器、上海佳誉过滤设备有限公司以商品名ZL系列烛式密闭过滤机销售的产品。本发明 使用的烛芯式过滤器操作是按照产品说明书中说明的方式进行的。过滤得到的滤液(纺丝液)进行了粘度与固体含量测定。
纺丝液的粘度是按照毛细管法使用由上海笛柏实验设备有限公司以商品名D01002-022乌氏粘度计销售的仪器在25℃±0.05℃条件下测定的。
在本发明中,如果所述纺丝液在温度60℃的粘度小于500泊,则纺丝液易出现“断流”现象;如果纺丝液的粘度大于1600泊,则会纺丝液挤出膨胀效应增大;因此,纺丝液的粘度为500~1600泊是合适的,优选地是680~1400泊,更优选地是800~1200泊。
所述纺丝液的固体含量超过这个范围时也是不合适的,因为固体含量过大将导致聚合物粘度增加,易产生物理交联,喷丝过程中管道压力过大,导致设备损伤。
如果所述纺丝液的粘度或固体含量超过其范围时,则通常分别采用添加溶剂DMSO稀释的方法将其粘度与固体含量调节达到所述的范围。
本发明使用的喷丝板的孔数为1000~3000。所述的喷丝板是用高硬度镀钽材料制成的。
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度48~52℃、浓度以重量计35~45%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.5~3.0min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度32~38℃、浓度以重量计35~45%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.0~2.0min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度22~28℃、浓度以重量计5~10%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.5~1.0min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
在本发明中,所述的凝固应该理解是聚合物在纺丝过程中发生的“相转变”,即初生纤维由液态向固态的转变。为了达到缓慢、均匀、细旦化的目的,本发明采用了三段凝固方式,第一段是在温度48~52℃与35~45%二甲基亚砜凝固浴中进行凝固;第二段是在温度32~38℃与35~45%二甲基 亚砜凝固浴中进行凝固;第三段是在温度22~28℃与5~10%二甲基亚砜凝固浴中进行凝固。当然,也可以根据实际情况采用更多凝固步骤实现初生纤维凝固。
接着,使用高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度75~85℃的水浴中预拉伸1.2~1.8倍,然后用温度60~80℃的洗涤水洗涤,最后置于氨基硅氧烷乳液中处理,得到一种上油纤维。
在本发明中,预拉伸的目的在于使得纤维取向,细旦化,提高初生纤维力学性能。
本发明使用的高精度罗拉牵伸辊应该理解是一种由伺服电机驱动多轴的罗拉牵伸辊,例如是由郑州恒天重工公司以商品名高精度罗拉牵伸辊销售的产品。
在这个步骤中,所述的凝固纤维在预拉伸后需要使用水洗涤,以除去残留的溶剂与金属离子。所述的残留溶剂来自于制备聚丙烯腈聚合物溶液所使用的溶剂或初生纤维凝固时使用的溶剂,它们主要是残留在纤维表面未清除的凝固浴或双扩散出的二甲基亚砜。溶剂残留量应该控制在以重量计0.005~0.02%。如果残留的溶剂量超过5ppm会造成纤维碳化过程中多空缺陷。
在用洗涤水洗涤的纤维中金属离子含量是以重量计5ppm以下。所述的金属离子来自于单体、聚合釜及管道,它们例如是钾、钠、铁等离子。
所述溶剂残留量与金属离子含量都是采用常规方法测定得到的。
用洗涤水洗涤时使用的水洗槽应该有足够长度,以便能够充分洗涤除去残留溶剂与金属离子,达到其要求。水洗槽长度通常是8~12米。如果水洗槽的长度超过这个范围,则会水洗效果不明显或浪费资源。
洗涤纤维置于氨基硅氧烷乳液中进行上油处理。洗涤纤维在氨基硅氧烷乳液中处理的作用在于使其纤维达到充分润湿,从而使其纤维分开,不聚集,不黏连。
在步骤B中,所述的凝固纤维在洗涤后在氨基硅氧烷乳液中处理0.5~1.0min。
所述的氨基硅氧烷乳液是目前市场上销售的产品,例如由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的产品。
让所述的上油纤维在温度160~180℃下进行干燥致密化处理,接着通过热风箱在温度100~110℃下进行热松弛处理,得到一种干热处理纤维;这种干热处理纤维再进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,然后干燥得到聚丙烯腈原丝纤维。
在本发明中,干燥致密化处理应该理解是在高温(温度160~180℃)与光洁热辊作用下使所述纤维中的微孔进一步减小或消失。干燥致密化处理时间是30~60s。优选地是35~55s,更优选地是40~50s。
干燥致密化处理设备是目前市场上销售的产品,例如由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的产品。
在本发明中,热松弛处理的作用在于减少纤维由于大牵伸造成的内应力。热松弛处理是在温度100~110℃下处理10~20秒,得到干热处理纤维。优选地,热松弛处理的温度是102~108℃,时间是12~18秒。更优选地,热松弛处理的温度是104~106℃,时间是14~16秒。热松弛处理的牵伸率为零。
热松弛处理设备是目前市场上销售的产品,例如由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的产品。
所述的干热处理纤维再进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理。
蒸汽高温高压高倍牵伸处理的作用在于进一步使纤维结晶及取向,提高纤维强度。蒸汽高温高压高倍牵伸处理的饱和水蒸气压力是0.50~-0.01MPa,牵伸倍率是2~5倍。蒸汽高温高压高倍牵伸处理所使用的设备是目前市场上销售的产品,例如由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品。
经蒸汽高温高压高倍牵伸处理的纤维在温度102~108℃与空气的条件下干燥热松弛处理得到聚丙烯腈原丝纤维。干燥热松弛处理所使用的设备是目前市场上销售的产品,例如由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的产品。
C、原丝拉伸原丝纤维;
让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度150~160℃与空气的条件下进行拉伸处理4~6分钟,拉伸倍率是1~1.7倍,得到一种拉伸原丝纤维;
这个拉伸处理步骤的目的在于减少原丝过度牵伸造成纤维内应力,使得纤维进一步热取向。
在本发明中,使用的热风加热炉是本发明人自制的设备,其结构示意图如附图1所示。冷湿空气经过空气加热器5后,其温度升至80~120℃,经过保温处理热风管道4后,均匀的由热风口3吹扫至走丝通道2,从而达到工艺要求。
D、纤维预氧化及碳化;
让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度200~300℃下进行热稳定化处理,接着在氮气气氛与温度600~800℃的条件下通过低温碳化炉进行处理,再在超纯氮气气氛与温度1200~1400℃的条件下通过高温碳化炉进行处理,这样得到所述的碳纤维。
所述热稳定化处理的作用在于使得原丝纤维由线性结构转变成耐热的梯形结构,以至于能够承受更高温度的热处理。
所述的拉伸原丝纤维热稳定化处理时间是50~60分钟。
热稳定化处理所使用的设备例如是由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的产品。
所述的拉伸原丝在低温碳化炉中处理的目的在于进一步完善耐热梯形结构,使得纤维能够在更高温度下热处理不损坏;在高温碳化炉中处理的目的在于石墨乱层结构的转变,纤维强度大幅度提高。
所述的拉伸原丝在热稳定化处理后在低温碳化炉中处理0.5~1.5min;在高温碳化炉处理0.2~1.0min。
在热稳定化处理后,拉伸原丝纤维在在温度600~800℃与氮气气氛下进行低温碳化炉处理。本发明中,氮气纯度是生产高性能碳纤维的关键,纯度应为超纯级别,含氧量小于5ppm,露点不高于-72℃。
本发明使用的低温碳化炉例如是由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的产品。
本发明使用的高温碳化炉例如是由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的产品。
按照GBT3362-2005测试方法,使用由Instron公司以商品名5966型万能材料试验机销售的仪器在拉伸速率为5cm/min条件下测定了本发明制备的聚丙烯腈纤维强度为3.45~4.42GPa,模量260.66~291.00GPa。
对根据本发明方法生产的碳纤维进行了力学性能测试,其测试结果列于表1中。
表1:不同原丝在不同拉伸比例下最终碳纤维力学性能

注:*表示该栏中的数据单位均为GPa。
表1的结果清楚地说明原丝纤维经过适当预拉伸,同样的预氧化、碳化工艺能够使得纤维强度有所提升。
在目前市场上普及或使用率最高的是日本东丽T300级碳纤维,采用GBT3362-2005标准方法测定,其测定结果符合已公布数据,即强度为3.5GPa,模量为230GPa。与此同时,采用同样的方法测定,根据本发明方法生产碳纤维的强度最高能够达到4.42GPa,模量291GPa。
由此可见,与现有技术的相比,本发明方法能够使得碳纤维强度提高1.26倍,模量增加26.5%。
[有益效果]
本发明的有益效果是:
1、本发明能够有效地减少纤维再原丝制备过程中微观结构的缺陷,与未施加本工艺纤维相比,预氧化用纤维取向度进一步提高,碳化后纤维力学性能显著提高。
2、由于纤维在玻璃化温度以上再次拉伸,使得纤维纤度降低,高温处理过程中比表面积增大,有效地提高了热处理效率;
3、经过本发明工艺处理,明显的改进了纤维质量,本发明聚丙烯腈基碳纤维强度提高26%,模量增加26.5%。
附图说明
图1是本发明使用的热风加热炉结构示意图。
图中:
1-炉体;2-走丝通道;3-热风口;4-热风管道;5-空气加热器;6-空气输送管道。
具体实施方式
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由西北化工研究院生产以商品名PAN-P1销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种含有以重 量计95.2%聚丙烯腈与1.0%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力3.2kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度。然后使用由上海润岚过滤设备有限公司以商品名RH-ZS烛式过滤器销售的的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为800泊、固体含量为以重量计16.0%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.05mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为1000的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度48℃、浓度以重量计38%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理2.0min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度34℃、浓度以重量计38%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.0min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度26℃、浓度以重量计5%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.5min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度75℃的水浴中预拉伸1.8倍,然后在长度为8米水洗槽中使用温度50℃的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.015%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度160℃下进行干燥致密化处理40s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度102℃下进行热松弛处理12秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力0.50MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是3倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度156℃与空气的条件下进行拉伸处理5.4分钟,拉伸倍率是1.1倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度260℃下进行热稳定化处理58分钟,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度700℃的条件下通过低温碳化炉进行处理0.5min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1360℃的条件下通过高温碳化炉进行处理0.2min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.45~3.92GPa,模量260.66~274.45GPa。
实施例2:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由北京化工有限公司以商品名丙烯腈销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种含有以重量计 95.5%聚丙烯腈与0.5%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力3.8kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度,然后使用由上海思滤环保设备有限公司以商品名思滤SL-ACF过滤器销售的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为1200泊、固体含量为以重量计18.2%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.06mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为2800的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度50℃、浓度以重量计35%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.5min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度36℃、浓度以重量计35%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理2.0min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度28℃、浓度以重量计8%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.0min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度78℃的水浴中预拉伸1.2倍,然后在长度为10米水洗槽中使用温度40℃的的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.005%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度170℃下进行干燥致密化处理50s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度108℃下进行热松弛处理18秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力0.20MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是4倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度150℃与空气的条件下进行拉伸处理4.0分钟,拉伸倍率是1.6倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度200℃下进行热稳定化处理50分钟,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度650℃的条件下通过低温碳化炉进行处理1.5min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1320℃的条件下通过高温碳化炉进行处理0.5min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.52~3.97GPa,模量266.18~275.83GPa。
实施例3:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由上海金锦乐实业有限公司以商品名丙烯腈销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种含有以重 量计95.8%聚丙烯腈与2.1%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力3.0kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度,然后使用由上海佳誉过滤设备有限公司以商品名ZL系列烛式密闭过滤机销售的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为500泊、固体含量为以重量计20.0%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.08mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为3000的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度52℃、浓度以重量计38%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理3.0min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度32℃、浓度以重量计38%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.5min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度22℃、浓度以重量计10%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.6min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度82℃的水浴中预拉伸1.4倍,然后在长度为12米水洗槽中使用温度48℃的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.008%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度180℃下进行干燥致密化处理30s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度100℃下进行热松弛处理10秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力0.10MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是2倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度152℃与空气的条件下进行拉伸处理5.0分钟,拉伸倍率是1.4倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度250℃下进行热稳定化处理52分钟,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度600℃的条件下通过低温碳化炉进行处理0.8min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1200℃的条件下通过高温碳化炉进行处理1.0min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.71~3.91GPa,模量272.39~291.00GPa。
实施例4:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由沈阳化学试剂厂以商品名丙烯腈销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种含有以重量计95.1% 聚丙烯腈与4.5%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力4.0kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度,然后使用由上海佳誉过滤设备有限公司以商品名ZL系列烛式密闭过滤机销售的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为1600泊、固体含量为以重量计17.4%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.05mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为1600的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度48℃、浓度以重量计40%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理2.4min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度34℃、浓度以重量计40%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.4min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度24℃、浓度以重量计5%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.8min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度85℃的水浴中预拉伸1.6倍,然后在长度为8米水洗槽中使用温度60℃的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.015%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度160℃下进行干燥致密化处理60s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度110℃下进行热松弛处理20秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力是0.40MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是3倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度156℃与空气的条件下进行拉伸处理6.0分钟,拉伸倍率是1.7倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度300℃下进行热稳定化处理54min,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度800℃的条件下通过低温碳化炉进行处理1.0min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1300℃的条件下通过高温碳化炉进行处理0.6min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.93~4.42GPa,模量270.32~287.56GPa。
实施例5:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由山东齐鲁石化齐泰石油化工有限公司以商品名丙烯腈销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一 种含有以重量计95.7%聚丙烯腈与5.0%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力3.4kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度,然后使用由上海润岚过滤设备有限公司以商品名RH-ZS烛式过滤器销售的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为680泊、固体含量为以重量计16.8%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.06mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为2000的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度50℃、浓度以重量计45%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理2.8min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度36℃、浓度以重量计45%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.6min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度26℃、浓度以重量计8%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.5min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度78℃的水浴中预拉伸1.5倍,然后在长度为10米水洗槽中使用温度56℃的的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.02%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度170℃下进行干燥致密化处理35s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度104℃下进行热松弛处理14秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力是0.05MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是4倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度160℃与空气的条件下进行拉伸处理4.6分钟,拉伸倍率是1.5倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度240℃下进行热稳定化处理60min,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度740℃的条件下通过低温碳化炉进行处理1.2min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1260℃的条件下通过高温碳化炉进行处理0.8min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.55~3.97GPa,模量271.70~284.11GPa。
实施例6:采用本发明方法生产高强度高模量碳纤维
该实施例的实施步骤如下:
A、纺丝液制备及湿法纺丝
将由西北化工研究院生产以商品名PAN-P1销售的重均分子量为3×105以上的聚丙烯腈聚合物溶于二甲基亚砜溶剂中,得到一种含有以重 量计95.4%聚丙烯腈与3.6%不饱和羧酸共聚单体的溶液,让所述的溶液置于压力3.6kPa下以脱除其中含有的单体与夹带的气泡,达到纺丝液澄清、无气泡的程度,然后使用由上海润岚过滤设备有限公司以商品名RH-ZS烛式过滤器销售的烛芯式过滤器进行过滤,采用说明书中描述的方法测定,得到的纺丝液在温度60℃时粘度为1400泊、固体含量为以重量计18.0%;然后,
让所述的纺丝液通过孔径为0.08mm、长径比不超过1.5、喷丝板的孔数为2400的喷丝板进行湿法纺丝,得到一种初生纤维;
B、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理
让在步骤A得到的初生纤维通过温度52℃、浓度以重量计40%二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.8min,使所述初生纤维凝固,同时保持纤维牵伸率为-8%;接着让凝固的初生纤维借助导丝辊通过温度38℃、浓度以重量计40%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理1.8min,同时保持纤维牵伸率为0%;再通过温度28℃、浓度以重量计10%的二甲基亚砜在纯水中的凝固浴处理0.8min,同时保持纤维牵伸率为5%,于是得到一种凝固纤维;接着,
使用由郑州恒天重工股份有限公司以商品名HTCT13销售的恒温凝固槽设备的高精度罗拉牵伸辊将所述的凝固纤维在温度82℃的水浴中预拉伸1.7倍,然后在长度为12米水洗槽中使用温度50℃的洗涤水洗涤去除残留溶剂,溶剂残留量控制在以重量计0.008%,金属离子含量是以重量计5ppm以下。最后置于由上海谱振生物科技有限公司公司以商品名70131-67-8销售的氨基硅氧烷乳液中处理0.6min,得到一种上油纤维;然后
使用由北京中纺精业机电设备机电设备有限公司以商品名RGWTSK-1R7TRS1销售的设备,让所述的上油纤维通过干燥致密化热辊在温度180℃下进行干燥致密化处理55s,接着使用由西安富瑞达科技有限 公司以商品名FRD-O13销售的热风箱在温度106℃下进行热松弛处理16秒,热松弛处理的牵伸率为零,得到一种干热处理纤维;
这种干热处理纤维再使用由扬州亨得容设备制造有限公司以商品名高温高压蒸汽牵伸系统销售的产品在饱和水蒸气压力是0.01MPa下进行蒸汽高温高压高倍牵伸处理,牵伸倍率是5倍,然后使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-O13销售的设备进行干燥,得到聚丙烯腈原丝纤维;
C、原丝拉伸成原丝纤维;
使用自制设计加工的热风加热炉,相关设计如图所示,让步骤B得到的聚丙烯腈原丝纤维在热风加热炉中在温度158℃与空气的条件下进行拉伸处理4.8分钟,拉伸倍率是1.6倍,得到一种拉伸原丝纤维;
D、纤维预氧化及碳化;
使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-YYH13销售的设备,让步骤C得到的拉伸原丝纤维在温度250℃下进行热稳定化处理55分钟,接着使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-LC13销售的低温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度780℃的条件下通过低温碳化炉进行处理1.4min,再使用由西安富瑞达科技有限公司以商品名FRD-HC13销售的高温碳化炉,在超纯氮气气氛与温度1400℃的条件下通过高温碳化炉进行处理0.9min,这样得到所述的碳纤维。
按照说明书描述的方法测定了使用本发明和相应碳化工艺条件下最终碳纤维强度为3.74~4.00GPa,模量261.35~286.18GPa。

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本发明涉及一种采用原丝拉伸技术生产高强度高模量碳纤维的方法,该方法包括纺丝液制备及湿法纺丝、初生纤维凝固与蒸汽牵伸处理、原丝拉伸成原丝纤维、纤维预氧化及碳化等步骤。本发明能够有效地减少纤维再原丝制备过程中微观结构的缺陷,与未施加本工艺纤维相比,预氧化用纤维取向度进一步提高,碳化后纤维力学性能显著提高;由于纤维在玻璃化温度以上再次拉伸,使得纤维纤度降低,高温处理过程中比表面积增大,有效地提高了热处理。

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