一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法与流程

本发明涉及聚丙烯腈基碳纤维领域，尤其是涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法。

背景技术：

1、碳纤维是一种高强度比、高比模量的增强型和功能型纤维材料，被称作是21世纪的“黑色黄金”，碳纤维及其复合材料在航空航天、交通运输、医疗器械、体育器材等领域具有广泛应用。

2、高质量的聚丙烯腈（pan）原丝是获得高品质碳纤维的关键。目前国内外最先进的pan原丝生产工艺是采用“二甲基亚砜（dmso）水相悬浮聚合两步法”进行生产，即在一定条件下以dmso为溶剂对pan粉料进行溶解得到纺丝用原液，然后采用干喷湿纺工艺制备聚丙烯腈基碳纤维原丝。

3、上述工艺制备聚丙烯腈基碳纤维原丝时，纺丝用聚丙烯腈原液的质量及稳定性是得到高质量原丝的重要前提。目前工业中采用两步法制备pan原液，是采用溶剂将聚丙烯腈粉料溶解、混匀后，再采用脱泡塔进行多级脱泡制得纺丝原液。但是，现有的两步法制备pan原液的方法，通常为间歇批次制备方式，生产效率低，溶解过程中存在有“团聚现象”和“爬杆现象”，容易出现物料通道口堵塞的问题；且脱泡塔脱泡效果不佳，多级脱泡效率偏低，无法满足规模化大批量连续生产的要求，无法实现大批量连续化生产；同时，在连续制备聚丙烯腈纺丝原液的过程中，存在有pan粉料溶解不均匀、聚丙烯腈原液脱泡效果不好、质量不稳定、可纺性较差等问题，严重影响pan原丝的质量、生产稳定性、生产效率。

4、中国专利cn101736411a公开了一种碳纤维用聚丙烯腈纺丝原液的制备方法，其采用间歇批次制备聚丙烯腈纺丝原液工艺，将聚丙烯腈粉料与溶剂、低沸点增溶剂混合溶解后，经过滤、蒸发脱除增溶剂，制得纺丝原液；但其存在有间歇批次制备的生产效率低，蒸发脱除增溶剂效率低、能耗高，纺丝原液脱泡效果不佳，不同批次制得的纺丝质量不稳定的问题。

5、中国专利cn110699762a公开了一种聚丙烯腈纺丝原液的制备方法和聚丙烯腈纤维的制备方法，其将聚丙烯腈树脂与溶剂混合，得到聚丙烯腈淤浆液后，淤浆液在双螺杆挤出机中进行溶解和脱泡，制得纺丝原液后，进行丙烯腈纤维的纺丝等处理。其在双螺杆挤出机出料后直接进行纺丝的方式，仍为间歇式批次制备，综合生产效率较低；同时，经发明人试验研究发现，该专利的技术方案中，在将聚丙烯腈树脂与溶剂混合过程中，存在有聚丙烯腈粉料溶解效率低、聚丙烯腈粉料溶解不完全，以及聚丙烯腈粉料易于产生较大团聚等问题，综合导致聚丙烯腈纺丝原液质量不理想，影响纺丝效果，进而影响制得的碳纤维原丝品质。进一步的，该专利的技术方案中，双螺杆挤出机出料至喷丝组件的纺丝原液温度为90-95℃，为降低至适宜的纺丝温度，需要采用远低于适宜纺丝温度的冷却水进行夹套降温，其直接导致输送管道内纺丝原液温差大，降低纺丝原液均匀性；并且输送管道管壁温度低，长期运行会在管壁上附着凝胶物，影响纺丝效果及长期运行稳定性，后期维护难度大。

6、同时，现有的聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，制得的聚丙烯腈碳纤维原丝还存在有以下问题：原丝内部存在有孔洞结构；以及在高倍牵伸过程中存在有毛丝和断丝现象。并且，制得的聚丙烯腈碳纤维原丝的纤度、比重、强度及模量均有待进一步提升。

7、因此，为得到高质量聚丙烯腈基碳纤维原丝，以及更稳定的生产工艺和产品质量，需要对聚丙烯腈基纺丝原液及原丝生产工艺进行优化改进。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，能够在实现规模化大批量连续生产的同时，避免生产过程中，聚丙烯腈基纺丝原液质量差、质量不稳定、可纺性差、生产稳定性及生产效率不理想的问题，进一步提升聚丙烯腈基碳纤维原丝的质量。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，包括有以下步骤：一次混合、二次混合、三次混合、二级过滤、纺丝，后处理；

4、所述一次混合的方法为，溶剂降温至10-18℃后，溶剂与聚丙烯腈粉料持续进料至研磨混合设备，进行研磨混合，制得淤浆并持续出料至淤浆罐；

5、所述二次混合的方法为，淤浆在淤浆罐内进行搅拌混合，搅拌混合的淤浆持续输送至管式换热器，经管式换热器加热后，获得初始原液并持续出料至双螺杆输送机；

6、所述三次混合的方法为，双螺杆输送机对初始原液进行挤压混合、真空脱泡后，获得原液并持续出料至原液缓冲罐；

7、所述二级过滤的方法为，原液依次经第一过滤器、第二过滤器过滤后，获得二级过滤后的原液；

8、二级过滤后的原液经纺丝、后处理，制得聚丙烯腈基碳纤维原丝。

9、经纺丝、后处理，制得聚丙烯腈基碳纤维原丝。

10、优选的，所述一次混合中，溶剂为二甲基亚砜和脱盐水的混合溶液；溶剂中脱盐水的添加量为1-3wt%；

11、经研磨混合制得的淤浆的固含量为18-24wt%。

12、优选的所述一次混合中，研磨转速为1000-2500rpm，物料在研磨混合设备的停留时间为2-5s；

13、研磨混合过程中，控制研磨温度为10-18℃；优选为10-15℃。

14、优选的，所述二次混合中，搅拌转速为100-300rpm；

15、管式换热器的温度为60-85℃，淤浆在管式换热器的停留时间为1-2.5min。

16、优选的，所述三次混合中，控制双螺杆输送机的真空度为0.8-0.99bar，温度为60-80℃，转速为20-50hz，初始原液在双螺杆输送机内的停留时间为1-2.5min；

17、三次混合制得的原液，在50℃下的旋转粘度为60000-120000cp，聚丙烯腈含量为18-24wt%。

18、优选的，所述二级过滤中，第一过滤器为烛型过滤器，过滤精度为5-15μm，优选过滤精度为5μm；

19、第二过滤器为碟片过滤器，过滤精度为1-5μm，优选过滤精度为1μm。

20、进一步的，所述纺丝的方法为，采用二级过滤后的原液进行喷丝，在空气中形成丝束后，经凝固浴成型后，在凝固浴中进行牵伸，获得初生原丝；

21、优选的，所述纺丝中，凝固浴为二甲基亚砜和脱盐水的混合液；二甲基亚砜的浓度为25-50%，优选浓度为30-40wt%。

22、凝固浴的温度为3-15℃；

23、丝束在凝固浴中的牵伸倍数为1.5-3倍，优选为1.8-2.6倍。

24、进一步的，所述后处理的方法为，纺丝获得的初生原丝经水洗牵伸、上油、一级干燥、蒸汽牵伸、二级干燥后，得到聚丙烯腈基碳纤维原丝；

25、所述水洗牵伸为多级水洗牵伸，水洗牵伸的温度区间为50-100℃，水洗牵伸的总牵伸倍数为2-5倍，优选为3-4.5倍；

26、所述上油，对水洗牵伸后的原丝进行上油。

27、进一步的，所述一级干燥，控制热辊温度为150-220℃，对上油后的原丝进行热辊干燥；

28、所述蒸汽牵伸，在饱和蒸汽环境中，对一级干燥后的原丝进行蒸汽牵伸，控制蒸汽牵伸倍数2-5倍，优选为2.3-3.5倍；

29、所述二次干燥，控制热辊温度为80-120℃，对蒸汽牵伸后的原丝进行热辊干燥。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、1、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，通过采用一次混合（研磨混合）、二次混合（搅拌混合）、三次混合（挤压混合）、二级过滤制备纺丝原液，并采用纺丝原液进行纺丝，能够在实现规模化大批量连续生产的同时，消除聚丙烯腈粉料在溶剂过程中存在的“团聚现象”和“爬杆现象”，有效消除设备通道口堵塞的问题；有效提高原液均匀性和稳定性，进一步提高可纺性、生产稳定性；制得的聚丙烯腈基碳纤维原丝的质量明显提高，能够在更宽的牵伸倍数范围下，得到高性能的聚丙烯腈基碳纤维原丝，进而能满足多样的生产需求。

32、2、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，通过采用一次混合（研磨混合）、二次混合（搅拌混合）、三次混合（挤压混合）、二级过滤的结合，有效提高原液均匀性和稳定性，有效提高原液质量和可纺性，有效减少纺丝过程中原丝内部的孔洞结构，避免原丝在施加高牵伸倍数的牵伸过程中出现的毛丝和断丝现象，进一步提升聚丙烯腈基碳纤维原丝的质量。

33、3、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，采用双螺杆输送机对原液输送的同时，进行挤压混合及脱泡，能够实现原液的连续化脱泡生产制备的同时，克服传统工艺中脱泡塔脱泡效果不佳，多级脱泡效率不佳等问题，有效提高生产稳定性及生产效率。

34、4、本发明的聚丙烯腈基碳纤维原丝的生产方法，制得的聚丙烯腈基碳纤维原丝的纤度小、比重轻、高强度，其单丝纤度不大于1.05dtex，单丝强度不低于9cn/dtex，且纤维束截面为规则圆形排列，能够用于制备高性能的碳纤维，所得产品性能好、用途广泛。