[发明专利]一种沥青基炭纤维连续长丝的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于炭纤维生产领域，特别涉及一种中间相沥青纤维的纺制、牵伸，并制备炭纤维。

背景技术

沥青炭纤维是一种具有独特性能的军民两用材料，被誉为当今世界材料综合性能的尖端产品，已广泛应用于航空、航天、运动器材以及高档民品，其高性能产品被发达国家列为战略物资实施管制，而我国还处于研制和一般性能产品产业化阶段，严重制约我国国防、航空、航天等相关领域的发展。其中，尤其是炭纤维连续长丝，因其定向性、可编织性等更适合与设计制备性能卓越的高性能炭材料，而倍受青睐。

可纺沥青制备炭纤维连续长丝，因其前驱体沥青纤维、不熔化纤维和碳化纤维都很脆弱或模量非常高，而极难处理。上世纪七十年代中期，日本吴羽公司和东洋纺织公司共同开发了各向同性沥青基炭纤维连续长丝的制造工艺技术，之后美国联合炭化物公司发表了以各向异性沥青为原料的高性能沥青炭纤维连续长丝的制造工艺技术。迄今为止的工艺，在前者的基础上，为了减少断丝，降低集束的困难等，采用了各种各样的手段避免不必要的损伤，并试图提高整体的生产效率。

一种被采用的基础工艺是由采用辊筒直接收取沥青纤维，然后进行特殊的后处理，其优点是收丝稳定简单，对纺丝干扰小，可以保证纤维直径的均匀性和稳定性。

USP4351816是联合炭化物公司对原有技术的改进，依然采用将沥青连续长丝收集于辊筒进行不熔化，不熔化之后的连续长丝再导丝至另一特定附有软质炭毡的辊筒，穿线或直接炭化。其较好的避免了后期处理过程中的热应力断裂，但关键仍在不熔化，与辊筒一并不熔化严重限制其生产效率并干扰了丝束的均匀性。

另一种被采用的基础工艺是采用非辊筒牵引，将丝束收集于络丝盘或筒，然后采用精密控制的不熔化、炭化和石墨化设备进行后期处理。特开昭59-1724、特开昭60-21911、特开昭61-70016、特开平6-166912等分别采用气流牵引、导丝辊进行集束、牵伸，并通过除静电、上油等辅助工艺成功将丝束收集于络丝盘或筒。其纺丝关键在于牵伸力的不稳定性，在实际操作中需要重视到高速纺丝和细旦化的要求，后期的不熔化采用强氧化性气体如二氧化氮、氧气等和空气的混合达到快速氧化的目的、并炭化和石墨化制得石墨纤维连续长丝。

两种基础工艺的改良方向之一，采用小直径的喷丝板，并不得不减少喷丝孔数，从而大大降低了生产效率，并使得小股的沥青纤维束愈发脆弱，这就需要更稳定、更少损伤丝束的牵伸和合股方法。

特开平2000-345435，US6524501，US6187434公开了一种炭纤维束的制备方法，以单个小喷丝板纺丝集束获得第一纤维束，并采用气流振荡使纤维假捻，而后将两股以上的第一纤维束进行合股，并进一步假捻，获得含有200-200，000沥青丝的纤维束。纤维束采用多个导丝辊牵伸和气流牵伸联用，并平稳落入收丝盘。然而，采用这种工艺时，若进一步提高纤维束的牵伸速率，即提高牵伸辊和导丝辊的转速时，丝束极易缠辊，尤其是落入收丝盘前的最后一级导丝辊，严重干扰纺丝，并对连续长丝的质量有着致命的影响。

特开平6-146119，US5425931公开了一种连续长丝纺制技术，采用多个特制的喷丝板熔融挤压成纤，而后将所得纤维集束，形成含有1000-100，000根沥青丝的纤维束，该技术纤维束同样通过导丝辊牵伸之后，还另加一个气体吸入装置牵伸，使纤维束顺利落入收丝盘。较好的避免了后期丝束合并的弊端。特开平6-166912，在收丝盘下方也设置了吸丝装置，对丝束起进一步的固定作用。但是，为了减少纺丝、牵伸过程中纤维的损伤，都需要对纤维进行充分上油，浸润有大量上油剂的纤维束极易黏附在气体吸入口，即使加大气流流速也无济于事，气流仅仅能起加强稳定的作用，而不可能作为牵伸的主要作用力。因而，此类工艺并不适合充分上油之后的纤维束和高速牵引的纤维束。

为了降低纺丝和纤维束输送过程的摩擦和外界其它环境对沥青纤维束的损伤，需要在纤维表面上油，但油剂的存在使沥青纤维束在后期的不熔化过程中，很难施加足够的张力使每一根纤维都平整的铺展开，这就使得纤维束中产生的焦油很难即时排出，极易造成纤维束发硬发脆。上述工艺都需要采用耐高温、高渗透性的油剂才能初步解决以上问题，但所得不熔化纤维并不是很柔软，影响后续的制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种沥青基炭纤维连续长丝的制备方法，解决现有纺丝沥青制备工艺纺丝速度较慢，对纤维束破坏大，不熔化效率低，易并丝发脆的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：