[发明专利]一种高强高模碳纤维原丝的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种高强高模碳纤维原丝的制备方法，主要解决现有技术中存在的碳纤维在石墨化处理过程中易起毛、纤维模量低的问题。本发明提供的制备方法中包括热水牵伸的步骤，其中，所述热水牵伸包含至少两级，最后一级热水牵伸逐渐升温至温度T；纤维在最后一级热水牵伸温度T时的槽内张力为离槽后张力的0.7～1.1倍，纤维在最后一级牵伸槽温度T时的离槽张力是在最后一级槽内温度T‑20℃时的离槽张力的0.3～0.5倍，较好地解决了该问题，具有石墨化处理过程中不易起毛、纤维模量高的特点，可用高强高模碳纤维原丝的工业生产中。

技术领域

本发明属于碳纤维原丝制备领域，具体涉及一种高强高模碳纤维原丝的制备方法和应用。

背景技术

碳纤维是一种碳纤维在90％以上的无机高分子纤维，其具有高强度、高模量、耐酸碱、耐腐蚀等特点，在航空航天、交通轨道、新能源等领域广泛应用，是国民经济发展的重要物质基础。

碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基、沥青基和黏胶基，聚丙烯腈基碳纤维具有综合力学性能好，原料来源易获得等优点，其产能约占碳纤维总产能的95％以上，是碳纤维的主要组成部分。

碳纤维按力学性能可分为通用型、高强中模型、高模型和高强高模型，按丝束多少可分为大丝束(单束碳纤维含48000根及以上的碳纤维)和小丝束。高强高模型碳纤维，即高强度高模量碳纤维，是指模量大于350GPa，强度大于3.5GPa的碳纤维，在航空航天、高端民用领域具有广泛应用。

高强高模聚丙烯腈基碳纤维的制备主要包括原液制备、原丝制备和氧化碳化三个过程。聚合原液的制备分为一步法和两步法，一步法是采用均相溶液聚合，溶剂可以为有机溶剂也可以为无机溶剂；两步法湿采用非均相溶液聚合，获得聚合体，然后经过分离、干燥、溶于溶剂中获得。其中一步法具有固含量高、经济性高的优点得到了广泛的使用。聚丙烯腈纤维按照纺丝方法又可以分为：湿法纺丝和干喷湿法纺丝。其中采用湿法纺丝制备的纤维其具有明显的沟槽结构，制备的碳纤维沟槽表面结构明显，作为复合材料使用时具有较好的“碳纤维-树脂”结合能力。通常高强高模碳纤维的原丝，均使用湿法纺丝制得。

通过一步法、湿法纺丝制备聚丙烯腈原丝的溶剂体系有多种，目前已实现工业生产的有硫氰酸钠体系、二甲基亚砜体系，其中二甲基亚砜作为溶剂制备聚丙烯腈基碳纤维原丝具有毒性较小、聚丙烯腈共聚物在溶剂中的溶解度大等特点，是湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维的重要方法。

二甲基亚砜一步法原液湿法纺丝通常包括凝固成型、水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、蒸汽热定型及收丝。在纺丝过程中，整个过程都涉及到牵伸，是纤维晶体微观结构变化的重要驱动力。在纺丝过程中牵伸主要有三个阶段，凝固过程中的初始牵伸、热水一级牵伸和蒸汽牵伸机中的二级牵伸。纤维细旦是制备高强高模碳纤维原丝的基础，三个阶段中的热水牵伸、蒸汽牵伸是实现原丝细旦化的主要途径。

热水牵伸通常采用多级串联牵伸装置，随着牵伸过程的增加，纤维的纤度降低，但为了使纤维结构保持，同时进一步增加纤维的取向度，过程中逐步施加适度张力，随着牵伸级数的增加纤维承受的张力逐渐增加。热水牵伸过程中的单轴向牵伸力使纤维原纤发生变形，纤维中的微孔发生改变，热水牵伸过程中的单轴向牵伸力是衡量牵伸过程的重要参数。张力过大时，纤维会发生部分分子链的断裂致使纤维无法通过蒸汽牵伸；张力过小时，纤维取向度不足，丝条经过干燥致密化后会出现泛白湿透现象。而高强高模碳纤维原丝对制备过程中的要求更高。

日本专利JP1983214526A、JP2004076208A公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，采用湿法纺丝方法，专利仅公布了初生纤维的张力，并未公布浴中与浴外张力的合理比值范围。中国专利CN111088531A公开了一种高强中模型聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备方法，所解决的技术问题是高强中模碳纤维原丝易产生毛丝、所制备的高强中模碳纤维力学性能差的技术问题，所制备的碳纤维模量小于350GPa。与高强中模碳纤维相比，高强高模碳纤维制备的石墨化处理中毛丝量较多，易引起生产停车，如何解决高强高模碳纤维制备过程中的毛丝问题是一个核心关键问题。但以上专利均未提出解决方案。