一種提高碳纖維成品率的方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>造紙;纖維素;紙品設(shè)備的制造及其加工制造技術(shù)

本發(fā)明屬于碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高碳纖維成品率的方法。

背景技術(shù)：

碳纖維是含碳量90％以上的纖維，利用有機(jī)纖維首先在氧化氣氛中制成預(yù)氧化絲，然后在惰性氣氛中加熱到1000-3000℃時(shí)，逐步被除去有機(jī)纖維中的非碳元素。在這個(gè)過程中，纖維內(nèi)部發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交聯(lián)等反應(yīng)，得到成品碳纖維。碳纖維是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中唯一強(qiáng)度不下降的材料。

碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐燒蝕、耐磨、抗疲勞等優(yōu)異性能。碳纖維既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，因此碳纖維被推崇為三大高性能纖維之首。作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維，已在衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、飛機(jī)等航空航天領(lǐng)域大量使用。同時(shí)，在文體、交通、機(jī)械、建筑等民用領(lǐng)域也得到了不斷地發(fā)展。

在碳纖維的加工過程中，除原絲生產(chǎn)階段造成的原絲“缺陷”會(huì)對(duì)碳纖維的質(zhì)量產(chǎn)生影響，在原絲的氧化和碳化階段，絲束在爐內(nèi)的橫向擾動(dòng)，也會(huì)對(duì)碳纖維的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，產(chǎn)生斷絲和毛絲，降低了碳纖維的成品率。

目前，大型化的碳纖維工廠采用的氧化爐和碳化爐長(zhǎng)度超過15米，兩端由輥輪提供張力，在爐體內(nèi)部無任何對(duì)絲束的支撐，這就會(huì)造成絲束在爐內(nèi)運(yùn)行軌跡不穩(wěn)定，在爐內(nèi)沿絲束運(yùn)行軌跡的垂直截面各方向上產(chǎn)生擾動(dòng)。年生產(chǎn)能力500噸碳纖維的工廠，在氧化和碳化過程中，同時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)的絲束約為180-280束，且每個(gè)絲束內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)品種的批次不同而含有500-24000根單絲不等。千噸級(jí)的碳纖維工廠，同時(shí)進(jìn)入爐體內(nèi)的絲束會(huì)更多，擾動(dòng)更加劇烈。在氧化和碳化的過程中爐內(nèi)需要通入大量的空氣或氮?dú)鈿夥眨@必然會(huì)加強(qiáng)絲束的擾動(dòng)，使相鄰絲束相互搭接，在爐內(nèi)高溫下產(chǎn)生毛絲和斷絲。

CN 20528790U公開了一種碳纖維布及其編織裝置，所述碳纖維布包括經(jīng)紗和緯紗，所述經(jīng)紗采用碳纖維材料，所述緯紗采用熔融的熱熔線，所述經(jīng)紗和緯紗交疊編制成幅，且每幅碳纖維布的四個(gè)邊緣均以所述熱熔線固定。

CN 201506885U公開了一種超疏水性碳纖維織物，所述超疏水性碳纖維織物由聚丙烯腈制備的碳纖維經(jīng)紗和碳纖維緯紗織成，碳纖維經(jīng)紗和碳纖維緯紗由碳纖維組成，每根碳纖維表面具有網(wǎng)狀粗糙結(jié)構(gòu)的疏水層，每根碳纖維上涂覆有納米二氧化硅。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高碳纖維成品率的方法，所述方法主要從降低纖維在氧化爐和碳化爐內(nèi)的擾動(dòng)出發(fā)，解決原絲在氧化和碳化過程中由于擾動(dòng)產(chǎn)生的相鄰絲束搭接，使得由于受熱不均產(chǎn)生毛絲和斷絲的問題，從而提高碳纖維的成品率。

本發(fā)明中如無特殊說明，所述原絲轉(zhuǎn)化率是指原絲的質(zhì)量與其轉(zhuǎn)化得到的碳纖維的質(zhì)量比，如轉(zhuǎn)化率為2.5:1代表2.5kg原絲生產(chǎn)出1kg碳纖維。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種提高碳纖維成品率的方法，所述方法包括：以碳纖維原絲絲束為經(jīng)紗，以氧化后的碳纖維原絲絲束為緯紗進(jìn)行編織，再將編織后的碳纖維原絲絲束進(jìn)行預(yù)氧化，碳化，去除緯紗和后處理，得到碳纖維。

本發(fā)明所述的編織是指經(jīng)、緯編織工藝。

所述去除緯紗的工藝是現(xiàn)有技術(shù)，在此不作贅述。

碳纖維原絲絲束在氧化爐和碳化爐中橫向擾動(dòng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生毛絲和斷絲現(xiàn)象，降低碳纖維的成品率。本發(fā)明通過使用緯紗對(duì)進(jìn)入氧化爐和碳化爐的所有原絲進(jìn)行編織，使絲束不受擾動(dòng)的影響，避免了毛絲和斷絲，從而提高了碳纖維的成品率。

所述氧化后的碳纖維原絲絲束主要由氧化后的碳纖維原絲組成，所述氧化后的碳纖維原絲通過如下方法制備得到：將碳纖維原絲在氧化爐中氧化，氧化溫度為180-380℃，如200℃、220℃、230℃、250℃、280℃、300℃、320℃、350℃或370℃等，停留時(shí)間為10-120min，如20min、30min、40min、50min、80min、100min、110min或115min等，優(yōu)選為10-60min，氧化氣氛為空氣或含有氧氣的惰性氣氛，得到氧化后的碳纖維原絲。

所述含有氧氣的惰性氣氛的含氧量為10-40％，如15％、20％、25％、30％、35％或38％等。

優(yōu)選地，所述惰性氣氛選自氮?dú)狻?/p>

惰性氣氛的含氧量決定緯紗制備過程中原絲在氧化爐中的停留時(shí)間，在相同條件下，含氧量越高停留時(shí)間越短，反之亦然。

用氧化后的碳纖維原絲絲束編織可避免碳纖維原絲在氧化過程中編織點(diǎn)局部過熱問題；另外，采用編織的方式固定碳纖維原絲較其它固定方法的優(yōu)點(diǎn)在于絲束在行進(jìn)過程中更加平穩(wěn)、減少震蕩。由于纖維是經(jīng)紗方向連續(xù)行進(jìn)，而編織緯紗是在出碳化爐后去除。

每束氧化后的碳纖維原絲絲束中碳纖維原絲的根數(shù)少于每束碳纖維原絲絲束中的碳纖維原絲的根數(shù)。優(yōu)選地，每束氧化后的碳纖維原絲絲束中包含500-24000根氧化后的碳纖維原絲，如600根、800根、1000根、2000根、3000根、5000根、8000根、10000根、12000根、15000根、18000根或22000根等。這樣可以減少緯紗與碳纖維原絲絲束在編織過程中的接觸點(diǎn)的面積，降低接觸點(diǎn)受熱不均一性，并且使緯紗能夠在氧化和碳化過程保持一定的強(qiáng)度，把原絲固定在所處的運(yùn)行軌跡上。

所述編織采用一束氧化后的碳纖維原絲絲束作為緯紗。編織過程中碳纖維原絲絲束的束數(shù)沒有嚴(yán)格的限制?？啥嗫缮?。

所述編織即：緯紗穿插在碳纖維原絲絲束中，將碳纖維原絲絲束固定。

優(yōu)選地，所述緯紗上下往復(fù)穿插在碳纖維原絲絲束中。

優(yōu)選地，緯紗在碳纖維原絲幅面上的往復(fù)次數(shù)不小于1.5次，如2次、3次、5次、8次、10次、15次、20次、30次、40次、50次、100次或200次等。，所述幅面為氧化爐或炭化爐中碳纖維原絲絲束幅面。

在碳纖維原絲絲束進(jìn)入氧化爐前使用緯紗對(duì)來自紗架的多束碳纖維原絲絲束進(jìn)行編織，緯紗在碳纖維原絲絲束幅面上的間距為10-1500mm，如20mm、30mm、50mm、60mm、80mm、100mm、150mm、200mm、500mm、800mm、1000mm、1200mm或1400mm等。

所述預(yù)氧化和碳化分別在氧化爐和炭化爐中進(jìn)行。

所述去除緯紗采用緯紗去除機(jī)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可將緯紗去除。

所述后處理包括表面處理。所述表面處理為制備碳纖維過程中常規(guī)的處理，為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的內(nèi)容。所述后處理還包括制備碳纖維的過程中碳化后的其它工序。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述提高碳纖維成品率的方法包括：以碳纖維原絲絲束為經(jīng)紗，以一束含有500-24000根氧化后的碳纖維原絲的絲束為緯紗進(jìn)行編織，之后，將編織后的產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)氧化，碳化，去除緯紗和后處理，得到碳纖維；

其中，氧化后的碳纖維原絲通過如下方法制備得到：將碳纖維原絲在氧化爐中氧化，氧化溫度為180-380℃，停留時(shí)間為10-120min，氧化氣氛為空氣或含氧量為10-40％的含有氧氣的惰性氣氛；所述編織即緯紗上下往復(fù)穿插在碳纖維原絲絲束中，緯紗在碳纖維原絲幅面上的往復(fù)次數(shù)不小于1.5次，緯紗在碳纖維原絲絲束幅面上的間距為10-1500mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的提高碳纖維成品率的方法通過使用緯紗對(duì)進(jìn)入氧化爐和碳化爐的所有碳纖維原絲進(jìn)行編織，降低了碳纖維原絲在氧化爐和碳化爐內(nèi)的擾動(dòng)，解決了相鄰碳纖維原絲在氧化和碳化過程中由于擾動(dòng)產(chǎn)生的搭接和受熱不均產(chǎn)生毛絲和斷絲的問題，原絲的轉(zhuǎn)化率可由2.5:1提高到2.23:1，即碳纖維的成品率得到提高(原絲轉(zhuǎn)化率提高就代表碳纖維成品率提高，轉(zhuǎn)化率是原料聚丙烯腈原絲和得到的產(chǎn)物碳纖維的質(zhì)量比，成品率也是指原料聚丙烯腈得到最后產(chǎn)物碳纖維的情況，只有轉(zhuǎn)化率提高了(碳化過程中損耗小)，碳纖維成品率才可能提高)。

附圖說明

圖1為利用緯紗編織后的碳纖維原絲絲束的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，L表示緯紗在碳纖維原絲絲束幅面上的間距。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例1

一種提高碳纖維成品率的方法，所述方法具體如下：

采用絲束根數(shù)為500的原絲進(jìn)入氧化爐進(jìn)行部分氧化，氧化溫度235℃，停留時(shí)間50min，氧化爐內(nèi)通入潔凈的空氣作為氧化氣氛，制得的緯紗經(jīng)過卷繞成卷，以供原絲編織使用。

來自原絲紗架上的245束(每束原絲1000根單絲)在進(jìn)入氧化爐前與緯紗進(jìn)行往復(fù)編織，緯紗在所有原絲絲束幅面上間距L為300mm，編織后的原絲絲束順序進(jìn)入3臺(tái)氧化爐進(jìn)行氧化，在單臺(tái)氧化爐體內(nèi)，緯紗在垂直于原絲前進(jìn)的幅面上的往復(fù)次數(shù)28次。原絲通過氧化后成為預(yù)氧化絲，預(yù)氧化絲順序進(jìn)入兩臺(tái)碳化爐，在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行碳化，在單臺(tái)碳化爐體內(nèi)，緯紗在垂直于預(yù)氧化絲前進(jìn)的幅面上的往復(fù)次數(shù)25次。出碳化爐后去除緯紗，碳纖維進(jìn)入后續(xù)工序繼續(xù)進(jìn)行加工。在同等的碳化的工藝條件下，進(jìn)行緯紗編織的原絲轉(zhuǎn)化率由原來的2.5:1提高到2.25:1，碳纖維的成品率明顯提高。