高性能碳纤维丝加工生产工艺

技术领域

本发明涉及碳纤维材料制造技术领域，具体为一种高性能碳纤维丝加工生产工艺。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维增强纤维是复合材料的主要材料，高效低成本碳纤维对复合材料轻量化有着重要的意义聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是一种以PAN原丝为前驱体，经过1000℃以上高温处理制得的碳含量在90％以上的具有乱层石墨结构的无机纤维材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能。碳纤维作为军民两用的高技术材料，已广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品和医疗器械等民用行业。碳纤维的发展和应用在提高国家军事实力和工业产品的竞争力方面正发挥着越来越重要的作用PAN原丝的预氧化和碳化是制备碳纤维的关键工艺，在碳纤维制备过程中是承前(原丝)启后(碳纤维)的桥梁，对碳纤维性能、碳收率和生产效率等具有重要的影响。因此，制定与原丝相匹配的预氧化、碳化工艺是制备高品质碳纤维的前提。

传统碳纤维丝加工生产工艺中存在以下不足之处：

1、水洗过程中需要置于酸性水溶液及盐水中进行牵伸，过程较为繁琐，纤维均匀程度难控制，不利于生产；

2、传统工艺的氧化温度和低温碳化较高，相对能耗也较大，不利已降低碳纤维制造成本。

因此，本发明提供一种高性能碳纤维丝加工生产工艺以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高性能碳纤维丝加工生产工艺，该工艺方法包括如下工艺步骤：

步骤一：将碳纤维原料放置于氧化炉中进行氧化处理，并精确控制氧化温度，所述氧化处理采用四温区氧化，各温区氧化处理的温度分别为180℃、231℃、251℃和262℃，各温区预氧化处理的时间均为10min～30min；

步骤二：在氧化炉中对步骤一中的纤维原料拉丝，根据生产环境选择对应的升温方式，并精确控制拉丝的生产速度和牵引比，各温区预氧化处理过程中碳纤维原丝的牵伸率分别为0.6％～1.0％、-1.0％～0.8％、-2.0％～1.5％和-2.0％～-1.5％；

步骤三：取出步骤二中氧化炉内的氧化丝，进行二次控温，并控制温度范围、控温时间和牵引比进行低温碳化，采用低温碳化炉对步骤二中的碳纤维原丝进行低温碳化处理，所述低温碳化处理采用六温区低温碳化处理工艺，各温区低温碳化处理的温度分别为400℃、570℃、625℃、625℃、625℃和625℃，各温区低温碳化处理的时间均为15s～ 20s，低温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为7％～10％；

步骤四：在低温碳化结束后，进行第三次控温，控制温度范围和牵引比进行高温碳化，采用高温碳化炉对步骤三中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，所述高温碳化处理采用四温区高温碳化处理工艺，各温区高温碳化处理的温度分别为850℃、1000℃、 1250℃和1350℃，各温区高温碳化处理的时间均为15s～20s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-5～-4％；

步骤五：对步骤四中高温碳化的纤维丝进行冷却，冷却后的碳纤维原丝进行表面清洁和上浆处理；

步骤六：将步骤五中上浆后的碳纤维原丝置于干燥炉中干燥，得到碳纤维丝。

所述步骤一中的碳纤维原丝材质的线密度为2.95g/。

所述步骤二中所述各温区氧化处理过程中碳纤维原丝的走丝速率均为2.8m/min～ 3.0m/min。

所述步骤二中所述各温区氧化处理碳纤维原丝的牵伸率分别为0.78％、-0.9％、-1.51％和-1.53％。

所述步骤三中所述低温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为8.5％。

所述步骤四中高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-4.3％。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明加工工艺速度的提升，导致预氧化时间以及碳化时间缩短，工艺参数调整更适合预氧化，解决氧的扩散问题的皮芯结构。通过提升各个预氧炉温度的调整，保证碳纤维丝体密度以及碳纤维的性能优异；

2、本发明加工工艺在高、低温碳化过程中，通过调整温度和牵伸倍率的匹配，使得纤维在运行过程中张力达到预期要求的低温碳化张力为300cN，高温碳化张力为320cN，纤维运行过程中张力提高，纤维取向度提高，分子排布更加致密化，因此碳纤维强度得到显著提高；

3、本发明加工工艺通过提升各个预氧炉温度的调整，保证碳纤维预氧丝体密度以及碳纤维的性能优异；在对牵伸的调整，找到较好的牵伸比例，从而在高的速度下，有效的提高了碳纤维的性能，降低了生产的单位能源消耗，提高了企业规模化生产效益。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供技术方案：一种高性能碳纤维丝加工生产工艺，该工艺方法包括如下工艺步骤：

步骤一：将碳纤维原料放置于氧化炉中进行氧化处理，并精确控制氧化温度，所述氧化处理采用四温区氧化，各温区氧化处理的温度分别为180℃、231℃、251℃和262℃，各温区预氧化处理的时间均为10min～30min；

步骤二：在氧化炉中对步骤一中的纤维原料拉丝，根据生产环境选择对应的升温方式，并精确控制拉丝的生产速度和牵引比，各温区预氧化处理过程中碳纤维原丝的牵伸率分别为0.6％～1.0％、-1.0％～0.8％、-2.0％～1.5％和-2.0％～-1.5％；

步骤三：取出步骤二中氧化炉内的氧化丝，进行二次控温，并控制温度范围、控温时间和牵引比进行低温碳化，采用低温碳化炉对步骤二中的碳纤维原丝进行低温碳化处理，所述低温碳化处理采用六温区低温碳化处理工艺，各温区低温碳化处理的温度分别为400℃、570℃、625℃、625℃、625℃和625℃，各温区低温碳化处理的时间均为15s～ 20s，低温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为7％～10％；

步骤四：在低温碳化结束后，进行第三次控温，控制温度范围和牵引比进行高温碳化，采用高温碳化炉对步骤三中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，所述高温碳化处理采用四温区高温碳化处理工艺，各温区高温碳化处理的温度分别为850℃、1000℃、 1250℃和1350℃，各温区高温碳化处理的时间均为15s～20s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-5～-4％；

步骤五：对步骤四中高温碳化的纤维丝进行冷却，冷却后的碳纤维原丝进行表面清洁和上浆处理；

步骤六：将步骤五中上浆后的碳纤维原丝置于干燥炉中干燥，得到碳纤维丝。

所述步骤一中的碳纤维原丝材质的线密度为2.95g/。

步骤二中所述各温区氧化处理过程中碳纤维原丝的走丝速率均为2.8m/min～3.0m/min。

步骤二中所述各温区氧化处理碳纤维原丝的牵伸率分别为0.78％、-0.9％、-1.51％和-1.53％。

所述步骤三中所述低温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为8.5％。

所述步骤四中高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-4.3％。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。