一种聚丙烯腈原丝及其制备方法与流程

本发明涉及碳纤维，尤其涉及一种聚丙烯腈原丝及其制备方法。

背景技术：

1、聚丙烯腈（pan）基碳纤维凭借高比强度、高比模量及耐腐蚀等优异性能，已成为航空航天、新能源、轨道交通等领域不可或缺的战略材料。pan原丝作为碳纤维的前驱体，其结构均匀性和缺陷水平直接决定最终碳纤维的力学性能，因此原丝制备工艺始终是碳纤维产业的核心环节。目前，高性能pan原丝主要采用湿法或干喷湿法纺丝制备，其中干喷湿法纺丝中纺丝液经喷丝板挤出后先经过一段空气层（气隙段）再进入凝固浴，兼具纺程长、取向可控的优势，更适于制备高性能原丝。

2、然而，干喷湿法纺丝中气隙段是纤维初步拉伸取向和溶剂挥发的关键区域，其环境条件对成型质量影响显著。若气隙段的温度、湿度或气流分布控制不当，会造成丝条表面溶剂挥发速率失衡、凝固双扩散不一致，导致纤维成型截面不圆整、径向结构均匀性差，并易遗传形成皮芯结构，严重劣化原丝及碳纤维的力学性能。与此同时，为获得高性能碳纤维，通常需采用高分子量、高固相含量、高粘度的纺丝液，但该类纺丝液在常规工艺下可纺性差，易出现断丝、成型波动大等问题，进一步加剧了上述缺陷。

3、因此，如何在干喷湿法纺丝中精确控制气隙段的环境条件，使高分子量、高固相含量、高粘度的纺丝液实现稳定可纺，并避免皮芯结构、获得截面均匀的高性能聚丙烯腈原丝，成为制约原丝及碳纤维质量提升的关键技术难题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种聚丙烯腈原丝及其制备方法。

2、本发明目的之一在于提供一种聚丙烯腈原丝的制备方法，包括：

3、将聚丙烯腈纺丝液经喷丝板挤出，得到纺丝细流；

4、所述纺丝细流经过气隙段后进入凝固浴进行凝固成型，得到凝固丝束；

5、所述凝固丝束依次进行水洗、热水牵伸、上油、干燥和蒸汽牵伸处理，得到聚丙烯腈原丝；

6、其中，所述气隙段满足如下条件中的至少一个：

7、（a）所述气隙段的空气温度为20~25℃；

8、（b）所述气隙段的空气湿度为35~65%；

9、（c）所述气隙段采用侧进风与上进风组合的送风方式；

10、（d）所述气隙段的总送风量为65000~75000m³/h；

11、（e）所述气隙段的高度为2~7mm。

12、优选的，所述侧进风的送风量与所述上进风的送风量之比为(2.5~3.5):1。

13、优选的，所述纺丝细流在所述气隙段中的停留时间为2~4秒。

14、优选的，将所述聚丙烯腈纺丝液经所述喷丝板挤出时，满足如下条件中的至少一个：

15、（f）所述喷丝板的孔径为0.008~0.15mm；

16、（g）所述喷丝板的长径比为2:1~5:1；

17、（h）所述喷丝板的喷丝孔呈圆形扇形排布；和，

18、（j）所述喷丝板的板面保温温度为25~35℃。

19、优选的，所述聚丙烯腈纺丝液满足如下条件中的至少一个：

20、（k）所述聚丙烯腈的数均分子量为20~65万；

21、（l）所述聚丙烯腈的分子量分布指数为1.5~2.5；

22、（m）所述聚丙烯腈纺丝液的固相含量为18.8~25%；和，

23、（n）所述聚丙烯腈纺丝液的粘度为55000~100000mpa·s。

24、优选的，所述凝固浴满足如下条件中的至少一个：

25、（o）所述凝固浴的温度为3~7℃；

26、（p）所述凝固浴中二甲基亚砜的浓度为30~40%；

27、（q）纺前压力为15~20bar；

28、（r）凝固浴底进循环量为0.2~0.6m³/h；和，

29、（s）凝固浴侧进循环量为0.5~1.2m³/h。

30、优选的，所述热水牵伸满足如下条件中的至少一个：

31、（t）所述热水牵伸的总牵伸倍数为2~4倍；和，

32、（v）所述热水牵伸的牵伸温度为75~95℃。

33、优选的，所述蒸汽牵伸满足如下条件中的至少一个：

34、（w）所述蒸汽牵伸为一级牵伸；

35、（x）所述蒸汽牵伸的牵伸倍数为2.5~4.5倍；

36、（y）所述蒸汽牵伸的牵伸压力为3~6bar；和，

37、（z）所述蒸汽牵伸时间为3~6秒。

38、优选的，聚丙烯腈原丝的制备方法还满足如下条件中的至少一个：

39、（i）总牵伸倍数为9~12倍；和，

40、（ii）纺丝速度为200~400m/min。

41、本发明目的之二在于提供一种采用以上的制备方法得到的聚丙烯腈原丝。

42、本发明具有以下有益效果：

43、通过精确控制气隙段的温度、湿度、送风方式及总送风量、气隙高度等环境条件的协同配合，使纺丝液在空气层中均匀拉伸取向、溶剂挥发速率均衡，进入凝固浴后双扩散均匀，所得原丝截面圆形度可达0.99以上，从根本上避免了皮芯结构；纺丝液稳定可纺，满轴率98%以上；

44、所得原丝强度达7.3~9.5cn/dtex，纤度变异系数cv%降至4.8%以下；经相同预氧化与碳化工序，所得碳纤维拉伸强度达4.9~6.5gpa、拉伸模量达230~240gpa，为高性能碳纤维提供了优质前驱体。

1.一种聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述侧进风的送风量与所述上进风的送风量之比为(2.5~3.5):1。

3.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述纺丝细流在所述气隙段中的停留时间为2~4秒。

4.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，将所述聚丙烯腈纺丝液经所述喷丝板挤出时，满足如下条件中的至少一个：

5.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纺丝液满足如下条件中的至少一个：

6.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述凝固浴满足如下条件中的至少一个：

7.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述热水牵伸满足如下条件中的至少一个：

8.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，所述蒸汽牵伸满足如下条件中的至少一个：

9.根据权利要求1所述的聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，还满足如下条件中的至少一个：

10.一种聚丙烯腈原丝，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的方法制备得到。