生产低离散系数碳纤维的装置和方法

摘要

本发明涉及一种生产低离散系数碳纤维的装置和方法，主要解决现有工艺和设备制取的碳纤维力学性能离散系数大、稳定性差的技术问题。本发明通过在原丝开卷(1)、预氧化(4)、低温碳化(5)、高温碳化(6)、表面处理和上浆干燥(7)和收卷(8)之间，增加饱和蒸汽牵伸(2)和干燥(3)工序，同时通过各工序前后传动系统中罗拉的线速度对纤维张力进行调控。使得聚丙烯腈原丝在预氧化前取向度得到最大程度的提高，从而使纤维在后续处理过程中更加均质化。该技术能有效降低碳纤维力学参数的离散系数，较好的解决了上述技术问题，可应用在碳纤维工业化生产领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产低离散系数碳纤维的装置和方法。

技术背景

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和 热膨胀系数小等一系列优异的性能，被广泛的应用在体育休闲用品和高科技工业领域，特 别是在航空航天领域具有极大的应用前景。碳纤维的制备一般包括聚合纺丝、预氧化、碳 化三大工艺过程，其中每个工序中都含有数十个或者数百个工艺控制点，每一个工艺控制 点都可能导致纤维中产生缺陷结构，从而导致碳纤维的性能的不稳定。张跃等发表的《聚 丙烯腈基碳纤维的研究进展》(2009年3月《纤维复合材料》第一期，p7-10)中介绍了聚 丙烯腈基碳纤维的国内外发展历程和现状，详细介绍了碳纤维生产工艺，指出了国产碳纤 维的部分问题。刘建军等发表的一种12K二元聚丙烯腈基碳纤维的制造方法(专利号 CN201310132065.7)，对大丝束碳纤维的制备进行了介绍。目前，日本掌握了世界上最先 进的碳纤维制备技术，不仅在高强度系列碳纤维上取得了领先地位，而且在高模以及高强 高模等领域也占据了较大的优势。国内碳纤维仅仅在T300级别碳纤维取得了一定成绩， 且并不能稳定生产。产生以上现象的原因主要是国内在碳纤维制备过程中的基础科学问题 尚未解决。基于以上原因，目前国内的主要研究方向是攻克基础科学问题，同时在设备上 进行改良。本发明在对基础科学问题的研究过程中，对设备进行了优化，以期降低碳纤维 力学参数的离散系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是目前国内碳纤维力学参数离散系数较大，提供了一 种生产低离散系数碳纤维的装置。该装置用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，具有降低最终 产品力学参数离散系数的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的生产低离 散系数碳纤维的方法。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种生产低离散系数碳纤维 的装置，包括以下设备：放丝机1、预处理设备、预氧化炉4、低温碳化炉5、高温碳化炉 6、表面处理和上浆干燥设备7以及收丝机8，其中预处理设备由饱和蒸汽牵伸设备2和干 燥炉3组成。

上述技术方案中，饱和蒸汽牵伸设备2内部采用无缝不锈钢管15，无缝不锈钢管外层 具有保温层11，保温层采用岩棉，保温层上外包不锈钢板10。饱和蒸汽牵伸设备2中， 蒸汽管12焊接在无缝不锈钢管内部，走丝腔体14内的蒸汽管道13下侧开有大量圆孔16。 饱和蒸汽牵伸设备2中，蒸汽管道进口12在设备上方中央，蒸汽进入管道后经多孔不锈 钢金属软管进入走丝腔体14，设备左右两边的端头密封装置9能确保腔体14内保持密封 状态。干燥炉3使用电加热式管式干燥炉，内部为不锈钢炉膛，炉膛上缠绕镍铬合金丝。

为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：依次经过以下步骤：原丝经 放丝后，经过饱和蒸汽牵伸、干燥、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理和上浆干燥， 最后收卷得到碳纤维，其特征在于，饱和蒸汽牵伸工序中蒸汽压力控制范围为0.1-0.6MPa， 温度范围为100-160℃。

上述技术方案中，燥炉3中温度控制范围为100-180℃，温度均匀性为±1.5℃，炉膛 内通新鲜空气。饱和蒸汽牵伸设备2和干燥炉3通过装置前后传动系统中罗拉的线速度控 制牵伸倍率，控制牵伸倍率为-5％-15％。纤维在饱和蒸汽牵伸设备2中处理时间为2-10min， 在干燥炉3中的处理时间分别为5-10min。经预处理后的纤维，依次经预氧化空气气氛下 180-280℃、低温碳化惰性气氛下300-800℃、高温碳化惰性气氛下900-1400℃、表面处理 和上浆干燥，最终制备离散系数极低的高性能碳纤维。

在原丝开卷和预氧化工序中间增加饱和蒸汽装置和干燥装置，使得聚丙烯腈原丝在预 氧化前取向度得到最大程度的提高，从而使纤维在后续处理过程中更加均质化，进而达到 降低离散系数的目的。该技术能降低碳纤维力学参数的离散系数。

采用本发明的技术方案，原丝经开卷后，依次经过饱和蒸汽牵伸、干燥、预氧化、低 温碳化、高温碳化、表面处理、上浆干燥，最后收卷，得到碳纤维。碳纤维拉伸强度达到 4920MPa，拉伸强度的离散系数降至1.62％；拉伸模量达到272GPa，拉伸模量的离散系数 低至1.12％。

下面通过实施例对本发明做进一步的阐述：

附图说明

图1为本发明所述生产低离散系数碳纤维方法的流程示意图。

图2为饱和蒸汽牵伸设备结构图。

图1中，1为放丝机；2为饱和蒸汽牵伸设备；3为干燥炉；4为预氧化炉；5为低温 碳化炉；6为高温碳化炉；7为表面处理和上浆干燥设备；8为收丝机。

原丝在放丝机1上经开卷后，分别经饱和蒸汽牵伸设备2、干燥炉3、预氧化炉4、低 温碳化炉5、高温碳化炉6、表面处理和上浆干燥设备7以及收丝机8，最终制得低离散系 数的碳纤维。

图2中，9为端头密封；10为不锈钢壳体；11为保温层；12为蒸汽管道进口；13为 蒸汽管道；14为走丝腔体；15为不锈钢管；16为蒸汽管道上的小孔。

饱和蒸汽经从入口12进入蒸汽管道，从不锈钢软管小孔16进入走丝腔体14，腔体周 围用石棉层11进行保温，石棉层外部有不锈钢壳体10，设备两端有端头密封装置9，确 保设备能保持一定的压力。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.15MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4540MPa，拉 伸强度的离散系数为2.15％；拉伸模量为257GPa，拉伸模量的离散系数为2.21％。

【实施例2】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.2MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4670MPa，拉 伸强度的离散系数为2.12％；拉伸模量为259GPa，拉伸模量的离散系数为2.09％。

【实施例3】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.3MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4850MPa，拉 伸强度的离散系数为1.98％；拉伸模量为264GPa，拉伸模量的离散系数为1.89％。

【实施例4】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.4MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4850MPa，拉 伸强度的离散系数为2.58％；拉伸模量为264GPa，拉伸模量的离散系数为2.56％。

【实施例5】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.3MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为110℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4920MPa，拉 伸强度的离散系数为1.65％；拉伸模量为272GPa，拉伸模量的离散系数为1.21％。

【实施例6】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.3MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为5％。干燥炉温度为140℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4360MPa，拉 伸强度的离散系数为3.25％；拉伸模量为259GPa，拉伸模量的离散系数为3.66％。

【实施例7】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置和干燥炉进行前处理，蒸汽压力为0.3MPa， 停留时间为3min，牵伸倍数为8％。干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。然后依次在空 气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化， 900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4970MPa，拉 伸强度的离散系数为1.82％；拉伸模量为280GPa，拉伸模量的离散系数为1.02％。

【比较例1】

聚丙烯腈原丝开卷后，依次在空气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性 气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维， 碳纤维的拉伸强度为3510MPa，拉伸强度的离散系数为6.09％；拉伸模量为224GPa，拉 伸模量的离散系数为5.08％。

【比较例2】

聚丙烯腈原丝开卷后，经饱和蒸汽装置前处理，蒸汽压力为0.3MPa，停留时间为3min， 牵伸倍数为5％。然后依次在空气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下 300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维 的拉伸强度为3160MPa，拉伸强度的离散系数为9.85％；拉伸模量为210GPa，拉伸模量 的离散系数为6.81％。

【比较例3】

聚丙烯腈原丝开卷后，经干燥炉进行前处理，干燥炉温度为120℃，干燥时间5min。 然后依次在空气气氛下180-300℃中梯度升温进行预氧化，在惰性气体下300-800℃中进行 低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为 4250MPa，拉伸强度的离散系数为5.29％；拉伸模量为251GPa，拉伸模量的离散系数为 4.66％。

显然，采用本发明的装置和方法，可以达到降低碳纤维力学性能离散系数的目的，具 有较大的技术优势，可用于碳纤维的工业生产中。