一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預氧化工藝的製作方法

2023-10-31 11:48:12 1

本發明涉及碳纖維碳化技術領域，具體涉及一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預氧化工藝。

背景技術：

碳纖維是含碳量在90％以上的無機高分子纖維，是由有機纖維(如腈綸絲、瀝青及粘膠纖維等)在惰性氣體中經碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維具有諸多優異的力學性能，同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，既具有碳材料的固有本性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性，具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱、熱膨脹係數小等諸多優異性能，廣泛應用於飛機製造和航空航天及飛彈火箭等軍工領域，風力發電葉片、汽車製造等工業領域，還有高爾夫球棒、羽毛球拍及自行車等體育休閒領域。

碳纖維的生產工藝可分為聚丙烯腈纖維(原絲)、預氧化工藝及碳化工藝。預氧化是生產聚丙烯腈基碳纖維的一個重要中間過程。它起到承前啟後由原絲轉化為碳纖維的橋梁，預氧化不僅控制著碳纖維的質量，而且也控制著碳纖維的產量。同樣預氧化階段的預氧化爐也是碳纖維生產的關鍵裝備，同時也是耗時最長、能耗最高的裝備，運行溫度為180-300℃，纖維在預氧化爐內的處理時間常規為70-120分鐘。因此降低碳纖維成本、提升品質的關鍵在於碳化的預氧化階段。

技術實現要素：

針對現有的聚丙烯腈基碳纖維預氧化工藝中存在的耗時長、能耗高的問題，本發明提供了一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預氧化工藝。

本發明的技術方案如下：

一種聚丙烯腈基碳纖維原絲快速預氧化工藝，具體步驟如下：

聚丙烯腈基碳纖維原絲在240～260℃的起始溫度下，以10～15℃的升溫梯度，控制預氧化的總時間為33～40min，升溫至結束溫度270～290℃，預氧化過程中，熱風以7000～12000m3/h的循環量垂直於絲束的運行方向向下吹送，絲束的運行線速為550～720m/h，牽伸率為-5～-15％。

優選地，所述的起始溫度為245～250℃。

優選地，所述的結束溫度為270～275℃。

優選地，所述的升溫梯度為12～15℃。

優選地，所述的循環量為8000～8500m3/h。

優選地，所述的預氧化的總時間為35～38min。

優選地，所述的絲束的運行線速為620～660m/h。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)本發明採用熱風循環，將熱風垂直於絲束的運行方向吹送，提供聚丙烯腈原絲逐級預氧化所需的氧氣量，熱交換面積大，極大地提高氧化效率，縮短預氧化時間，此外，通過控制熱風的循環量，將試圖逃逸的爐內空氣吸收並送回到爐內循環，阻止冷空氣進入爐內，有較好的氣密性；

(2)本發明採用較高的預氧化起始溫度，迅速達到聚丙烯腈基碳纖維原絲的有效預氧化溫度，縮短了預氧化時間；

(3)本發明採用較高的預氧化升溫速率，使聚丙烯腈基碳纖維原絲較快地達到所需的預氧化程度，縮短整個預氧化時間，預氧化時間縮短至33～40min；

(4)本發明採用較大的牽伸率，抑制解取向，避免纖維的毛絲或斷絲的產生，實現連續穩定生產；

本發明的預氧化工藝耗時顯著縮短，有效地降低了能耗，實現了低成本高產量的快速預氧化，極大地減少了工業生產成本。同時，製得的預氧絲的體密度為1.34～1.36g.cm-3，皮芯率在10％左右，預氧絲碳化後形成的碳纖維的強度達到5100mpa以上，具有優異的質量。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步詳述。

實施例1