一种聚丙烯腈纤维及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种碳纤维技术领域，特别是涉及一种聚丙烯腈纤维及其制备方法。


背景技术：

2.碳纤维材料兼具材料的高性能和低密度，是典型的军民两用关键材料，引领材料革命的典型代表。聚丙烯腈纤维是生产高性能碳纤维最有前景的前驱体，利用聚丙烯腈纤维制备的碳纤维综合性能最好，生产工艺简单，其产量占当前世界碳纤维总产量的90％以上，聚丙烯腈纤维制备技术是聚丙烯腈基碳纤维制备的核心，目前生产碳纤维的国家都在采用各种各样的方法提高聚丙烯腈纤维的质量和聚丙烯腈基碳纤维的力学性能。
3.聚丙烯腈基纤维的制备按照聚合和纺丝的连续性一般分为一步法和两步法；按照纺丝工艺一般分为湿法、干法、干湿法和熔融法等。纺丝溶剂有二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、硫氰酸钠水溶液、氯化锌水溶液、硝酸等。目前，以二甲基亚砜为溶剂得到的聚丙烯腈纤维的产量最大，碳化后的碳纤维性能最稳定。现有相关技术采用水相悬浮聚合和无机溶剂硫氰酸钠溶解聚丙烯腈树脂的两步法工艺，在纺丝原液制备过程中进行了改进，得到的原丝结构致密，均匀性好，原丝断头率低。但是，本发明的发明人发现该工艺对提高原丝批次内、批次间的性能均匀性、质量稳定性没有显著的效果。
4.在聚丙烯腈纤维纺丝前，要先对聚丙烯腈纺丝液进行过滤，对凝固浴液进行过滤，除去杂质、凝胶料块等，以免在纺丝过程中堵塞喷丝孔造成断头，产生毛丝，甚至停车。但是，若过滤精度低，则不能达到过滤的目的，使得断头率增加，从而影响原丝的线密度、质量均匀性、生产连续性；若过滤精度过高，则更换滤芯频繁，生产成本过高。因此，选择适宜、匹配的多级过滤工艺，对于提升聚丙烯腈纤维的可纺性、生产连续性、质量均匀性及稳定性、降低聚丙烯腈纤维的性能离散具有重要意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种聚丙烯腈纤维及其制备方法，主要目的在于提升聚丙烯腈纤维的单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性、质量稳定性，以制备均匀性好、性能离散小的聚丙烯腈纤维。
6.在此需要说明的是：本发明的术语“聚丙烯腈纤维”指的是“碳纤维前驱体”，本领域技术人员俗称为“原丝”。
7.为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
8.一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，其包括如下步骤：
9.纺丝液过滤步骤：对聚丙烯腈纺丝液进行至少两级过滤处理，且过滤精度逐级递增，其中，第1级的过滤精度y1为5
‑
20μm@≥95％；第n级的过滤精度为y
n
，n≥2，其中，y
n
为1
‑
10μm@≥95％，且y
n
满足：y
n
＝y1‑
λ
n
×
(n
‑
1)；其中，系数λ
n
为3
‑
10；
10.喷丝、凝固成形步骤：对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液进行喷丝、凝固成形处理，得到凝固丝条；
11.后处理步骤：对所述凝固丝条进行后处理，得到聚丙烯腈纤维。
12.优选的，在所述纺丝液过滤步骤中：
13.所述过滤处理的级数为2
‑
3级；和/或
14.每级过滤处理的方式选用碟片式过滤处理、柱芯式过滤处理、板框式过滤处理中的任一种方式；优选的，第1级过滤处理的方式选用柱芯式过滤处理的方式或板框式过滤处理的方式；优选的，最后1级过滤处理的方式选用碟片式过滤处理的方式。
15.优选的，在所述纺丝液过滤步骤之前，还包括：对聚丙烯腈溶液先进行高温处理、再进行均质冷却处理的步骤，得到聚丙烯腈纺丝液；优选的，所述高温处理的压力为0
‑
10kpaa、温度为65
‑
85℃；优选的，所述高温处理的时间为0.5
‑
2小时；优选的，所述均质冷却处理的步骤，包括：使高温处理后的聚丙烯腈溶液经至少一级静态混合器进行均匀冷却处理；其中，所述静态混合器的叶片数≥2片，优选6
‑
12片；所述静态混合器的长度≥500mm，优选1000
‑
2000mm；所述均匀冷却处理的温度为35
‑
55℃；优选的，所述聚丙烯腈溶液的制备步骤如下：反应体系经溶液聚合后得到聚合液，再对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液。
16.优选的，对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液先进行均质化处理，再进行喷丝、凝固成形处理；优选的，所述均质化处理在静态混合器中进行；优选的，所述均质化处理的温度为45
‑
65℃。
17.优选的，在所述喷丝、凝固成形步骤之前，还包括：先对凝固浴液进行过滤处理，再将过滤处理后的凝固浴液输送至凝固浴槽内的步骤；其中，对所述凝固浴液进行过滤处理的步骤，包括：对所述凝固浴液进行一级过滤处理；其中，所述一级过滤处理的精度为5
‑
15μm@≥95％；优选的，采用袋式过滤器对所述凝固浴液进行一级过滤处理。
18.优选的，对所述凝固浴液进行过滤处理的步骤，还包括：对一级过滤处理后的凝固浴液进行二级过滤处理，其中，所述二级过滤处理的精度为1
‑
5μm@≥95％；优选的，所述一级过滤精度和二级过滤精度之差为2
‑
10μm@≥95％。优选的，采用柱芯式过滤器对一级过滤处理后的凝固浴液进行二级过滤处理。
19.优选的，在所述喷丝、凝固成形步骤中：所述凝固成形处理包括使喷丝处理得到的纺丝细流在一级凝固浴中进行一级凝固成形处理；其中，所述一级凝固浴中的一级凝固浴液包括溶剂、凝固剂、亲水剂；其中，所述溶剂的质量浓度为50
‑
70％、亲水剂的浓度为0
‑
0.1mol/l；所述一级凝固浴液的温度为45
‑
65℃、循环量为2
‑
8m3/h；优选地，所述溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺；所述亲水剂为氨水；所述凝固剂为水；优选的，对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液先进行均质化处理后，再进行喷丝、凝固成形处理，得到凝固丝条；其中，所述一级凝固浴液的温度与所述均质化处理的温度之差为0
‑
5℃；优选的，所述均质化处理是采用静态混合器对过滤后的聚丙烯腈纺丝液进行均质化处理。
20.优选的，所述凝固成形处理还包括使一级凝固成形处理后的纤维在二级凝固浴中进行二级凝固成形处理；其中，所述二级凝固浴中的二级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，所述溶剂的质量浓度为30
‑
50％；所述二级凝固浴液的温度为50
‑
70℃、循环量为3
‑
15m3/h；优选的，所述凝固成形处理还包括使二级凝固成形处理后的纤维在三级凝固浴中进行三级凝固成形处理；其中，所述三级凝固浴中的三级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，所述溶剂的质量浓度为10
‑
30％；所述三级凝固浴液的温度为60
‑
80℃、循环量为3
‑
15m3/h；进一步优
选的，所述凝固成形处理包括使三级凝固成形处理后的纤维在四级凝固浴中进行四级凝固成形处理；其中，所述四级凝固浴中的四级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，所述溶剂的质量浓度为0
‑
15％；所述四级凝固浴液的温度为70
‑
90℃、循环量为3
‑
15m3/h。
21.优选的，聚丙烯腈纺丝液的固含量为18
‑
25wt％、40℃下，聚丙烯腈纺丝原液的落球粘度为60
‑
120pa.s。
22.优选的，所述后处理步骤包括依次对所述凝固丝条进行水洗处理、热水牵伸处理、上油处理、干燥致密化处理、蒸汽牵伸处理、松弛热定型处理，得到聚丙烯腈纤维。
23.另一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈纤维，其中，所述聚丙烯腈纤维是由上述任一项所述的聚丙烯腈纤维的制备方法制备而成；
24.优选的，所述聚丙烯腈纤维的线密度的单轴长程上离散系数、批次内离散系数均不超过0.5％；
25.优选的，所述聚丙烯腈纤维的线密度的批次间离散系数≤0.8％；
26.优选的，所述聚丙烯腈纤维的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率的单轴长程上的离散系数、批次内离散系数均不超过2.5％；
27.优选的，所述聚丙烯腈纤维的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率的批次间离散系数≤5％。
28.与现有技术相比，本发明的聚丙烯腈纤维及其制备方法至少具有下列有益效果：
29.本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法，通过对聚丙烯腈纺丝液进行过滤时采用精度逐级增加的梯度过滤方式，具体地，第1级的过滤精度y1为5
‑
20μm@≥95％；第n级的过滤精度为y
n
，n≥2，其中，y
n
为1
‑
10μm@≥95％，且y
n
满足：y
n
＝y1‑
λ
n
×
(n
‑
1)；其中，系数λ
n
为3
‑
10；通过上述设计，不仅能确保对聚丙烯腈纺丝液的过滤精度，以彻底去除聚丙烯腈纺丝液中的杂质，关键还能减少对聚丙烯腈纺丝液的性质的影响，由此，提高纺丝液的均匀性、可纺性及纺丝连续性，减少毛丝、断丝，提升聚丙烯腈纤维单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性、质量稳定性，从而制备出均匀性好、性能离散小的聚丙烯腈纤维。另外，上述过滤处理的精度梯度设计方式能够很好地保护滤芯，不会使得滤芯更换频繁，从而降低成本。
30.进一步地，本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法，通过对聚丙烯腈溶液进行高温处理、均匀冷却处理制得聚丙烯腈纺丝液，这样设置在提高纺丝液的均匀性的基础上，避免由于纺丝液与凝固浴液之间的温度差太大而不利于纤维的均质化，从而进一步提高聚丙烯腈纤维的性能均匀性、质量稳定性、降低性能离散。
31.进一步地，本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法，通过对凝固浴液进行一级过滤处理或两级过滤处理(一级过滤处理的精度为5
‑
15μm@≥95％，所述二级过滤处理的精度为1
‑
5μm@≥95％；一级过滤精度和二级过滤精度之差为2
‑
10μm@≥95％)：通过这样设置，在确保凝固浴液的过滤效果的基础上，降低滤芯更换频率，以降低成本。
32.综上，通过上述聚丙烯腈纤维的制备方法制备的聚丙烯腈纤维的性能的单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性、质量稳定性优异。
33.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
34.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
35.一方面，本发明实施例提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，采用溶液聚合和一步法纺丝，具体包括如下步骤：
36.1)制备聚丙烯腈纺丝液的步骤
37.该步骤主要包括：反应体系经溶液聚合后得到聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液(前述的步骤属于常规技术，在此不做详细介绍)。然后，聚丙烯腈溶液经高温处理、均匀冷却处理得到聚丙烯腈纺丝液(较佳地，在0
‑
10kpaa的压力、65
‑
85℃的条件下，对聚丙烯腈溶液进行高温处理，高温处理后，经至少一级静态混合器进行均匀冷却处理得到聚丙烯腈纺丝液；其中，静态混合器的叶片数≥2片，优选6
‑
12片；所述静态混合器的长度≥500mm，优选1000
‑
2000mm；所述均匀冷却处理的温度35
‑
55℃)。
38.关于该步骤，相对于现有技术，本发明的实施例增加了“聚丙烯腈溶液经高温处理、均匀冷却处理”的步骤，目的是：在进一步减少凝胶，提高纺丝液的均匀性的基础上，避免由于纺丝液与凝固浴液之间的温度差太大而不利于纤维的均质化。
39.聚丙烯腈纺丝液的固含量为18
‑
25wt％，40℃下，聚丙烯腈纺丝原液的落球粘度为60
‑
120pa.s。
40.2)纺丝液过滤步骤
41.对聚丙烯腈纺丝液进行至少两级过滤处理，且过滤精度逐级递增，其中，第1级的过滤精度y1为5
‑
20μm@≥95％；第n级的过滤精度为y
n
，n≥2，其中，y
n
为1
‑
10μm@≥95％，且y
n
满足：y
n
＝y1‑
λ
n
×
(n
‑
1)；其中，系数λ
n
为3
‑
10。每级过滤处理的系数λ
n
可以相同或不同。
42.在该步骤中，过滤处理的级数优选为2
‑
3级。
43.优选的，每级过滤处理的方式选用碟片式过滤处理、柱芯式过滤处理、板框式过滤处理中的任一种方式；优选的，第1级过滤处理的方式选用柱芯式过滤处理的方式或板框式过滤处理的方式；优选的，最后1级过滤处理的方式选用碟片式过滤处理的方式，过滤材质为316。
44.较佳地，每级过滤处理的温度可以相同，也可以逐级升温，但温度不低于静态混合温度、同时不高于均质化处理的温度，范围在45
‑
65℃。
45.在此需要说明的是：本发明中的“μm@≥95％”属于过滤精度的单位，例如，aμm@≥95％表示的含义是：用于过滤出液体中所含的aμm及其以上的第一杂质，且能过滤掉至少95％以上的第一杂质。
46.在此，本发明通过对聚丙烯腈纺丝液进行过滤时采用精度逐级增加的梯度过滤方式，且具体的每一级的精度设计参见上述公式，通过这样的设计，不仅能确保过滤精度，以彻底去除聚丙烯腈纺丝液中的杂质，关键还能减少对聚丙烯腈纺丝液的性质的影响，另外又不会使得滤芯更换频繁，从而降低成本。该步骤的设计能够很好地去除杂质，提高纺丝液的均匀性、可纺性及纺丝连续性，提升聚丙烯腈原丝单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性、质量稳定性，制备均匀性好、性能离散小的聚丙烯腈原丝。
47.3)均质化处理
48.对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液进行均质化处理，优选的，所述均质化处理在静态混合器中进行。
49.在该步骤中，为了使聚丙烯腈纺丝液更均匀，本发明实施例在对聚丙烯腈纺丝液过滤后，进一步进行均质化处理。
50.4)喷丝、凝固成形步骤
51.对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液进行喷丝、凝固成形处理，得到凝固丝条。
52.聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
53.较佳地，在喷丝、凝固成形步骤之前，还包括：先对凝固浴液进行过滤处理，再将过滤处理后的凝固浴液输送至凝固浴槽内的步骤；其中，对所述凝固浴液进行过滤处理的步骤，包括：对所述凝固浴液进行一级过滤处理；其中，所述一级过滤处理的精度为5
‑
15μm@≥95％；优选的，采用袋式过滤器对所述凝固浴液进行一级过滤处理。
54.优选的，对所述凝固浴液进行过滤处理的步骤，还包括：对一级过滤处理后的凝固浴液进行二级过滤处理，其中，所述二级过滤处理的精度为1
‑
5μm@≥95％；优选的，所述一级过滤精度和二级过滤精度之差为2
‑
10μm@≥95％。优选的，采用柱芯式过滤器对一级过滤处理后的凝固浴液进行二级过滤处理。通过上述设置主要是为了降低成本，若选一级过滤，过滤精度为2
‑
5μm@≥95％，则滤芯容易脏堵，更换频繁；而设置两级过滤处理，一级过滤处理选用袋式过滤器，二级过滤处理采用柱芯式过滤器，则能延长二级过滤滤芯的寿命，只需更换一级过滤滤芯即可，而袋式过滤滤芯的成本低。
55.较佳地，凝固过程包括一至四级凝固浴；其中，一级凝固浴液包括溶剂、凝固剂、亲水剂，其中，溶剂的质量浓度为50
‑
70％，亲水剂的浓度为0
‑
0.1mol/l，凝固浴液的温度为45
‑
65℃，与均质化处理的温度相差不超过5℃，浴液循环量2
‑
8m3/h，优选地，所述溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等有机溶剂，亲水剂为氨水，凝固剂为水。
56.在此，最后一级过滤处理的温度≤均质化处理的温度≤第一级凝固浴的温度。
57.二级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，溶剂的质量浓度为30
‑
50％、二级凝固浴液的温度为50
‑
70℃。
58.三级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，溶剂的质量浓度为10
‑
30％、二级凝固浴液的温度为60
‑
80℃。
59.四级凝固浴液包括溶剂、凝固剂；其中，溶剂的质量浓度为0
‑
15％、二级凝固浴液的温度为70
‑
90℃。
60.较佳地，凝固过程通过补水保持浓度恒定，补水可以采用水洗回水或新鲜水；较佳地，凝固过程所用凝固剂及补水为无离子水，电导率≤0.5μs/cm。
61.5)后处理步骤
62.对凝固丝条进行水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、松弛热定型，制备聚丙烯腈纤维。
63.所制备的聚丙烯腈纤维的线密度的单轴长程上离散系数、批次内离散系数均不超过0.5％；聚丙烯腈纤维的线密度的批次间离散系数≤0.8％；聚丙烯腈纤维的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率的单轴长程上的离散系数、批次内离散系数均不超过2.5％；聚丙烯腈
纤维的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率的批次间离散系数≤5％。
64.下面通过具体实施例对本发明进一步详细说明如下：
65.实施例1
66.本实施例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其主要包括如下步骤：
67.1)采用溶液聚合法制备出t800聚丙烯腈聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液；然后在压力为10kpaa、温度为65℃的条件下对聚丙烯腈溶液进行高温处理1.5h，高温处理后的聚丙烯腈溶液再经一级静态混合器(温度为55℃、叶片数为12片、长度为2000mm)的均匀冷却处理，得到聚丙烯腈纺丝液。
68.其中，聚丙烯腈纺丝液的固含量为20％，在40℃下，聚丙烯腈纺丝液的落球粘度为100pa.s。
69.2)对聚丙烯腈纺丝液进行3级过滤处理；其中，第1级过滤处理是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤是精度为5μm@95％的碟片式过滤处理、第3级过滤是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理，过滤温度为55℃。
70.3)对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液在静态混合器中进行均质化处理，均质化温度55℃。
71.4)聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
72.其中，凝固成形处理包括四级凝固成形处理；具体地，
73.一级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、亲水剂为氨水、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至一级凝固浴槽中，其中，一级凝固浴液中的溶剂质量浓度为60％，亲水剂的浓度为0.03mol/l，凝固浴液的温度为55℃，浴液循环量为8m3/h，牵伸倍数为0.7倍。
74.二级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至二级凝固浴槽中，其中，二级凝固浴液中的溶剂质量浓度为40％，凝固浴液的温度为60℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.2倍。
75.三级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至三级凝固浴槽中，其中，三级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为20％，凝固浴液的温度为65℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.4倍。
76.四级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至四级凝固浴槽中，其中，四级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为5％，凝固浴液的温度为70℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.5倍。
77.其中，凝固浴通过水洗回水进行补水保持浓度恒定，凝固浴的凝固剂电导率为0.2μs/cm，补水所用水洗回水的电导率为0.5μs/cm。
78.5)对凝固丝条进行水洗处理(水洗处理的温度为65
‑
75℃，牵伸倍数为1倍)、热水牵伸处理(热水牵伸处理的温度为80
‑
95℃，牵伸倍数为2倍)、上油处理(油剂的浓度为1.5％)、干燥致密化处理(8级，温度依次为100℃、105℃、112℃、115℃、117℃、120℃、125℃、130℃，干燥总时间为35s)、蒸汽牵伸处理(压力为0.15mpa，牵伸倍数为2倍)、松弛热定型处理(温度为140℃，牵伸倍数为0.97倍)，得到t800
‑
6k聚丙烯腈纤维。
79.实施例2
80.本实施例制备一种t300
‑
1k的聚丙烯腈纤维，主要包括如下步骤：
81.1)采用溶液聚合法制备出t300聚丙烯腈聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液；然后在压力为5kpaa、温度为85℃的条件下对聚丙烯腈溶液进行高温处理2h，高温处理后的聚丙烯腈溶液再经2级静态混合器(1级叶片数为6片，长度为800mm；2级叶片数为8片，长度为1000mm，温度均为45℃)的均匀冷却处理，得到聚丙烯腈纺丝液。
82.其中，聚丙烯腈纺丝液的固含量为19％，在40℃下，聚丙烯腈纺丝液的落球粘度为70pa.s。
83.2)对聚丙烯腈纺丝液进行2级过滤处理；其中，第1级过滤处理是精度为8μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理，过滤温度为50℃。
84.3)对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液在静态混合器中进行均质化处理，均质化温度52℃。
85.4)聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
86.其中，凝固成形处理包括四级凝固成形处理；具体地，
87.一级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、亲水剂为氨水、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至一级凝固浴槽中，其中，一级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为60％，亲水剂的浓度为0.03mol/l，凝固浴液的温度为55℃，浴液循环量为3m3/h，牵伸倍数为0.65倍。
88.二级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤处理后输送至二级凝固浴槽中，其中，二级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为30％，凝固浴液的温度为65℃，浴液循环量为5m3/h，牵伸倍数为1.3倍。
89.三级凝固浴液(溶剂二甲基亚砜、凝固剂水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤处理后输送至三级凝固浴槽中，其中，三级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为10％，凝固浴液的温度为70℃，浴液循环量为6m3/h，牵伸倍数为1.4倍。
90.四级凝固浴液(溶剂二甲基亚砜、凝固剂水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤处理后输送至四级凝固浴槽中，其中，四级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为2％，凝固浴液的温度为75℃，浴液循环量为7m3/h，牵伸倍数为1.5倍。
91.其中，凝固浴通过水洗回水进行补水保持浓度恒定，凝固浴的凝固剂、补水所用水洗回水的电导率为0.1μs/cm。
92.5)对凝固丝条进行水洗处理(水洗处理的温度为65
‑
75℃，牵伸倍数为1倍)、热水牵伸处理(热水牵伸处理的温度为80
‑
95℃，牵伸倍数为2倍)、上油处理(油剂的浓度为1.5％)、干燥致密化处理(8级，温度依次为100℃、105℃、112℃、115℃、117℃、120℃、125℃、130℃，干燥总时间为35s)、蒸汽牵伸处理(压力为0.15mpa，牵伸倍数为2倍)、松弛热定型(处理温度为140℃，牵伸倍数为0.97倍)，得到t300
‑
1k聚丙烯腈纤维。
93.实施例3
94.本实施例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其主要包括如下步骤：
95.1)采用溶液聚合法制备出t800聚丙烯腈聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液；然后在压力为10kpaa、温度为65℃的条件下对聚丙烯腈溶液进行高温处理0.5h，高温处理后的聚丙烯腈溶液再经一级静态混合器(温度为55℃、叶片数为12片、
长度为2000mm)的均匀冷却处理，得到聚丙烯腈纺丝液。
96.其中，聚丙烯腈纺丝液的固含量为20％，在40℃下，聚丙烯腈纺丝液的落球粘度为100pa.s。
97.2)对聚丙烯腈纺丝液进行3级过滤处理；其中，第1级过滤处理是精度为20μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤是精度为10μm@95％的碟片式过滤处理、第3级过滤是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理，过滤温度为55℃。
98.3)对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液在静态混合器中进行均质化处理，均质化温度55℃。
99.4)聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
100.其中，凝固成形处理包括四级凝固成形处理；具体地，
101.一级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、亲水剂为氨水、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至一级凝固浴槽中，其中，一级凝固浴液中的溶剂质量浓度为60％，亲水剂的浓度为0.03mol/l，凝固浴液的温度为55℃，浴液循环量为8m3/h，牵伸倍数为0.7倍。
102.二级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至二级凝固浴槽中，其中，二级凝固浴液中的溶剂质量浓度为40％，凝固浴液的温度为60℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.2倍。
103.三级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至三级凝固浴槽中，其中，三级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为20％，凝固浴液的温度为65℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.4倍。
104.四级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至四级凝固浴槽中，其中，四级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为5％，凝固浴液的温度为70℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.5倍。
105.其中，凝固浴通过水洗回水进行补水保持浓度恒定，凝固浴的凝固剂电导率为0.2μs/cm，补水所用水洗回水的电导率为0.5μs/cm。
106.5)对凝固丝条进行水洗处理(水洗处理的温度为65
‑
75℃，牵伸倍数为1倍)、热水牵伸处理(热水牵伸处理的温度为80
‑
95℃，牵伸倍数为2倍)、上油处理(油剂的浓度为1.5％)、干燥致密化处理(8级，温度依次为100℃、105℃、112℃、115℃、117℃、120℃、125℃、130℃，干燥总时间为35s)、蒸汽牵伸处理(压力为0.15mpa，牵伸倍数为2倍)、松弛热定型处理(温度为140℃，牵伸倍数为0.97倍)，得到t800
‑
6k聚丙烯腈纤维。
107.实施例4
108.本实施例制备一种t800
‑
12k聚丙烯腈纤维，其主要包括如下步骤：
109.1)采用溶液聚合法制备出t800聚丙烯腈聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液；然后在压力为10kpaa、温度为65℃的条件下对聚丙烯腈溶液进行高温处理0.7h，高温处理后的聚丙烯腈溶液再经一级静态混合器(温度为55℃、叶片数为12片、长度为2000mm)的均匀冷却处理，得到聚丙烯腈纺丝液。
110.其中，聚丙烯腈纺丝液的固含量为20％，在40℃下，聚丙烯腈纺丝液的落球粘度为100pa.s。
111.2)对聚丙烯腈纺丝液进行4级过滤处理；其中，第1级过滤处理是精度为15μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理、第3级过滤是精度为5μm@95％的碟片式过滤处理、第4级过滤是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理，过滤温度为55℃。
112.3)对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液在静态混合器中进行均质化处理，均质化温度55℃。
113.4)聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
114.其中，凝固成形处理包括四级凝固成形处理；具体地，
115.一级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、亲水剂为氨水、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至一级凝固浴槽中，其中，一级凝固浴液中的溶剂质量浓度为60％，亲水剂的浓度为0.03mol/l，凝固浴液的温度为55℃，浴液循环量为8m3/h，牵伸倍数为0.7倍。
116.二级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至二级凝固浴槽中，其中，二级凝固浴液中的溶剂质量浓度为40％，凝固浴液的温度为60℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.2倍。
117.三级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至三级凝固浴槽中，其中，三级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为20％，凝固浴液的温度为65℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.4倍。
118.四级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)经精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至四级凝固浴槽中，其中，四级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为5％，凝固浴液的温度为70℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.5倍。
119.其中，凝固浴通过水洗回水进行补水保持浓度恒定，凝固浴的凝固剂电导率为0.2μs/cm，补水所用水洗回水的电导率为0.5μs/cm。
120.5)对凝固丝条进行水洗处理(水洗处理的温度为65
‑
75℃，牵伸倍数为1倍)、热水牵伸处理(热水牵伸处理的温度为80
‑
95℃，牵伸倍数为2倍)、上油处理(油剂的浓度为1.5％)、干燥致密化处理(8级，温度依次为100℃、105℃、112℃、115℃、117℃、120℃、125℃、130℃，干燥总时间为35s)、蒸汽牵伸处理(压力为0.15mpa，牵伸倍数为2倍)、松弛热定型处理(温度为140℃，牵伸倍数为0.97倍)，得到t800
‑
12k聚丙烯腈纤维。
121.实施例5
122.本实施例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其主要包括如下步骤：
123.1)采用溶液聚合法制备出t800聚丙烯腈聚合液，对聚合液进行脱单、脱泡处理后，得到聚丙烯腈溶液；然后在压力为10kpaa、温度为65℃的条件下对聚丙烯腈溶液进行高温处理1.5h，高温处理后的聚丙烯腈溶液再经一级静态混合器(温度为55℃、叶片数为12片、长度为2000mm)的均匀冷却处理，得到聚丙烯腈纺丝液。
124.其中，聚丙烯腈纺丝液的固含量为20％，在40℃下，聚丙烯腈纺丝液的落球粘度为100pa.s。
125.2)对聚丙烯腈纺丝液进行3级过滤处理；其中，第1级过滤处理是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤是精度为5μm@95％的碟片式过滤处理、第3级过滤是精度为2
μm@95％的碟片式过滤处理，过滤温度为55℃。
126.3)对过滤处理后的聚丙烯腈纺丝液在静态混合器中进行均质化处理，均质化温度55℃。
127.4)聚丙烯腈纺丝液在计量泵的压力驱动下经喷丝板的喷丝孔以细流形式进入凝固浴槽，在凝固浴液的浓差作用下进行双扩散，凝固成纤。
128.其中，凝固成形处理包括四级凝固成形处理；具体地，
129.一级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、亲水剂为氨水、凝固剂为水)依次经精度为10μm@95％的袋式过滤器、精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至一级凝固浴槽中，其中，一级凝固浴液中的溶剂质量浓度为60％，亲水剂的浓度为0.03mol/l，凝固浴液的温度为55℃，浴液循环量为8m3/h，牵伸倍数为0.7倍。
130.二级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)依次经精度为10μm@95％的袋式过滤器、精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至二级凝固浴槽中，其中，二级凝固浴液中的溶剂质量浓度为40％，凝固浴液的温度为60℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.2倍。
131.三级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)依次经精度为10μm@95％的袋式过滤器、精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至三级凝固浴槽中，其中，三级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为20％，凝固浴液的温度为65℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.4倍。
132.四级凝固浴液(溶剂为二甲基亚砜、凝固剂为水)依次经精度为10μm@95％的袋式过滤器、精度为5μm@95％的柱芯式过滤器过滤处理后输送至四级凝固浴槽中，其中，四级凝固浴液中的溶剂的质量浓度为5％，凝固浴液的温度为70℃，浴液循环量为10m3/h，牵伸倍数为1.5倍。
133.其中，凝固浴通过水洗回水进行补水保持浓度恒定，凝固浴的凝固剂电导率为0.2μs/cm，补水所用水洗回水的电导率为0.5μs/cm。
134.5)对凝固丝条进行水洗处理(水洗处理的温度为65
‑
75℃，牵伸倍数为1倍)、热水牵伸处理(热水牵伸处理的温度为80
‑
95℃，牵伸倍数为2倍)、上油处理(油剂的浓度为1.5％)、干燥致密化处理(8级，温度依次为100℃、105℃、112℃、115℃、117℃、120℃、125℃、130℃，干燥总时间为35s)、蒸汽牵伸处理(压力为0.15mpa，牵伸倍数为2倍)、松弛热定型处理(温度为140℃，牵伸倍数为0.97倍)，得到t800
‑
6k聚丙烯腈纤维。
135.对比例1
136.本对比例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其与实施例1的区别在于：本对比例对聚丙烯腈纺丝液进行1级过滤处理，具体是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理；其它参数及步骤与实施例1一致。
137.对比例2
138.本对比例制备一种t300
‑
1k的聚丙烯腈纤维，其与实施例2的区别在于：本对比例对聚丙烯腈纺丝液进行1级过滤处理，具体是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理；其它参数及步骤与实施例2一致。
139.对比例3
140.本对比例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其与实施例3的区别在于：本对比例对
聚丙烯腈纺丝液进行2级过滤处理，其中，第1级过滤处理是精度为15μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤处理是精度为2μm@95％的碟片式过滤处理；其它参数及步骤与实施例3一致。
141.对比例4
142.本对比例制备一种t800
‑
12k聚丙烯腈纤维，其与实施例4的区别在于：本对比例对聚丙烯腈纺丝液进行2级过滤处理，其中，第1级过滤处理是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理、第2级过滤处理是精度为10μm@95％的柱芯式过滤处理。其它参数及步骤与实施例4一致。
143.对比例5
144.本对比例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，其与实施例5的区别在于：本对比例对凝固浴液进行2级过滤处理，其中，第1级、第2级均是精度为10μm@95％的袋式过滤处理。其它参数及步骤与实施例5一致。
145.对比例6
146.本对比例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，与实施例1的区别在于：本对比例的步骤1)不对脱泡处理后的聚丙烯腈溶液进行高温、冷却均匀化处理，而是直接将脱泡处理后的聚丙烯腈溶液作为纺丝液使用。其他参数及步骤与实施例1一致。
147.对比例7
148.本对比例制备一种t300
‑
1k的聚丙烯腈纤维，与实施例2的区别在于：本对比例的步骤1)不对脱泡处理后的聚丙烯腈溶液进行高温、冷却均匀化处理，而是直接将脱泡处理后的聚丙烯腈溶液作为纺丝液使用。其他参数及步骤与实施例2一致。
149.对比例8
150.本对比例制备一种t800
‑
6k聚丙烯腈纤维，与实施例1的区别在于：本对比例对凝固浴液进行1级过滤处理，选用精度为5μm@95％的袋式过滤器。其它参数及步骤与实施例1完全一致。
151.对上述实施例及对比例所制备的聚丙烯腈纤维的线密度进行离散性测试，测试数据结果如表1所示。
152.表1
[0153] 单轴长程上离散系数批次内离散系数批次间离散系数实施例10.35％0.40％0.60％实施例20.15％0.18％0.25％实施例30.40％0.45％0.6％实施例40.40％0.40％0.55％实施例50.25％0.30％0.50％对比例10.60％0.66％0.75％对比例20.52％0.52％0.60％对比例30.80％0.80％1.00％对比例40.75％0.80％0.96％对比例50.50％0.50％0.65％对比例60.65％0.70％0.80％
对比例70.58％0.58％0.66％对比例80.55％0.56％0.70％
[0154]
对上述实施例及对比例所制备的聚丙烯腈纤维的拉伸强度进行离散性测试，测试数据结果如表2所示。
[0155]
表2
[0156] 单轴长程上离散系数批次内离散系数批次间离散系数实施例11.50％1.50％2.00％实施例21.00％1.00％1.50％实施例31.60％2.00％2.20％实施例41.80％1.80％2.00％实施例51.40％1.50％2.00％对比例14.15％4.20％5.20％对比例23.25％3.30％4.80％对比例32.80％3.65％4.00％对比例43.00％3.00％3.59％对比例54.00％4.00％4.45％对比例62.50％2.58％3.20％对比例71.57％1.67％2.69％对比例83.50％3.55％5.00％
[0157]
对上述实施例及对比例所制备的聚丙烯腈纤维的弹性模量进行离散性测试，测试数据结果如表3所示。
[0158]
表3
[0159] 单轴长程上离散系数批次内离散系数批次间离散系数实施例11.60％1.60％2.10％实施例21.20％1.20％1.70％实施例31.50％1.90％2.10％实施例42.00％2.00％2.20％实施例51.60％1.80％2.10％对比例14.05％4.10％5.10％对比例23.45％3.50％5.00％对比例33.00％3.85％4.20％对比例43.10％3.10％3.69％对比例54.20％4.20％4.65％对比例62.70％2.78％3.40％对比例71.47％1.57％2.59％对比例83.60％3.65％5.10％
[0160]
对上述实施例及对比例所制备的聚丙烯腈纤维的断裂伸长率进行离散性测试，测试数据结果如表4所示。
[0161]
表4
[0162] 单轴长程上离散系数批次内离散系数批次间离散系数实施例11.80％1.80％2.30％实施例20.85％0.85％1.35％实施例31.70％2.10％2.30％实施例42.00％2.00％2.20％实施例51.60％1.60％2.30％对比例14.30％4.35％5.35％对比例23.40％3.45％4.95％对比例32.95％3.80％4.15％对比例43.15％3.15％3.74％对比例54.15％4.15％4.60％对比例62.65％2.73％3.35％对比例71.72％1.82％2.84％对比例83.65％3.70％5.15％
[0163]
通过上述实施例及对比例、表1
‑
表4的数据可以看出：
[0164]
(1)通过对比实施例1
‑
4和对比例1
‑
4的步骤及数据，可以看出，本发明实施例提出的对聚丙烯腈纺丝液进行特定精度梯度过滤处理的步骤(即，第1级的过滤精度y1为5
‑
20μm@≥95％；第n级的过滤精度为y
n
，n≥2，其中，y
n
为1
‑
10μm@≥95％，且y
n
满足：y
n
＝y1‑
λ
n
×
(n
‑
1)；其中，系数λ
n
为3
‑
10)，能显著提升聚丙烯腈纤维的单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性和质量稳定性。
[0165]
(2)通过对比实施例1
‑
2和对比例6
‑
7的步骤及数据，可以看出：在制备聚丙烯腈纺丝液时，通过进行高温处理、均匀冷却处理，能进一步提升聚丙烯腈纤维的性能均匀性、质量稳定性。
[0166]
(3)通过对比实施例1、实施例5、对比例5、对比例8的步骤及数据，可以看出：本发明实施例进一步提出对凝固浴液的过滤设计工艺，能进一步提升聚丙烯腈纤维的性能均匀性、质量稳定性。
[0167]
(4)从实施例1
‑
实施例5的步骤及数据可以看出，本发明实施例制备的聚丙烯腈纤维的单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性和质量稳定性均优异。
[0168]
综上，本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法能够彻底去除杂质，提高纺丝液的均匀性、可纺性及纺丝连续性，减少毛丝、断丝，提升聚丙烯腈原丝单轴长程上、批次间、批次内的性能均匀性、质量稳定性，制备均匀性好、性能离散小的聚丙烯腈纤维。
[0169]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。