[发明专利]一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件及制备聚丙烯腈基大丝束碳纤维原丝的方法

说明书

本发明涉及一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件及制备聚丙烯腈基大丝束碳纤维原丝的方法。该方法，包括：1)采用丙烯腈水相悬浮聚合工艺得到聚丙烯腈聚合体，将聚合体溶解在溶剂中，经脱除气泡和过滤杂质后得到聚丙烯腈纺丝原液；2)使用一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件，纺丝组件由组合式过滤网、预分配板、分配板和喷丝板组成。实现原液在喷丝板面上径向挤出均匀，经凝固成型后得到初生纤维；3)初生纤维经过牵伸、水洗、热牵伸、前上油、干燥致密化、后上油、热定型及收丝得到大丝束碳纤维原丝。本发明的纺丝组件解决了24K以上大丝束原丝喷丝板直径放大后，喷丝板面上径向挤出压力不均匀造成对纤维性能的影响，实现了大丝束原丝喷丝板面上没有断丝和飘丝，原丝纤度偏差0～3.0％，提高了原丝各项性能指标和工业化稳定生产。

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈纤维制造技术领域，具体涉及一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件及制备聚丙烯腈基大丝束碳纤维原丝的方法。

背景技术

碳纤维由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导电、导热和膨胀系数小等一系列优异性能，不仅是制造火箭、导弹、卫星航天飞机和宇宙空间站必不可少的结构材料、耐腐蚀材料、隔热材料和特种功能材料，而且也是工业、民用等领域的轻量化、高性能化的主要增强纤维，它在发达国家支柱产业乃至国民经济整体素质提高方面，正在发挥着越来越重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义。

PAN基碳纤维大丝束原丝用原液是高粘弹性液体，在圆管内的流速分布呈抛物线型，中心管轴处流速最大，管壁流速为零，流速沿径向非均匀分布。随着原丝根数的增加，喷丝板直径逐步增大，径向的流速差异进一步放大，原液在喷丝板面上径向挤出压力不一致，使得每个喷丝孔的挤出原液量不均匀，原丝性能的不匀性提高，严重地导致喷丝板板面上产生断丝和飘丝，造成原丝工业化生产不稳定。

为了使高分子溶液经过大丝束原丝喷丝板时能够沿径向分布，形成柱塞流动，我们通过在纺丝组件中加入双分配板，使得高分子粘弹流体在进入喷丝板之前，流速沿着径向均匀分配，到喷丝板面上径向挤出压力均匀，从而确保喷丝板上每个喷丝孔的出料量相同，即初生纤维粗细一致，杜绝喷丝板面上的断丝和飘丝，提高原丝各项性能指标和工业化稳定生产。

中国发明专利CN105671669A公开的聚丙烯腈碳纤维原丝的制备方法，使用多层结构分配板和喷丝组件，解决原丝断丝率大，性能不稳定的问题。多层结构分配板和喷丝组件的过滤网的孔径中间和外圈是一致的，没有根据喷丝板直径变化进行径向调整的手段，这较适合小丝束碳纤维原丝生产，喷丝板直径小，原液在径向的速度和压力的差异小，对纤维性能影响小，不适合大丝束原丝的生产。

中国发明专利CN105603543A公开的聚丙烯腈溶液的喷丝方法，使用喷丝组件和纺丝组件，通过过滤和分配装置减少凝固浴中断丝多的问题。其分配板的设计只有一块，随着单股原丝中原丝根数的增加，用单块分配板不能满足大丝束原丝喷丝孔数量增大后喷丝板面上各区域对原液挤出的需求，会造成喷丝板外圈断丝和飘丝，这种布孔方式只能满足小丝束碳纤维原丝的使用。

近年来，大丝束碳纤维与小丝束碳纤维相比，以其更高效的使用成本受到市场的追捧。随着大丝束碳纤维应用的不断深入，产品供不应求。虽然目前大丝束碳纤维市场日益火爆，但是随着相关国家在高技术领域对中国的封锁日益加剧，无法从国际上直接获得可靠的大丝束碳纤维产业化技术，其中大丝束原丝生产技术是制约国产大丝束碳纤维发展的瓶颈。

发明内容

本发明提供了一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件及制备聚丙烯腈基大丝束碳纤维原丝的方法，以解决针对24K以上大丝束原丝喷丝板直径放大后，喷丝板面上径向挤出压力不均匀造成对纤维性能的影响。本发明的制备方法采用一种大丝束碳纤维原丝用分配板和纺丝组件，得到的大丝束碳纤维原丝喷丝板上每个喷丝孔的出料量差异小，喷丝板面上没有断丝和飘丝，提高了原丝各项性能指标和工业化稳定生产。