一种合丝制备大规格丝束碳纤维方法

技术领域

本发明专利涉及碳纤维材料制备技术领域，具体为一种合丝制备大规格丝束碳纤维方法。

背景技术

碳纤维是碳纤维复合材料的主要材料，具有高强度、高模量、耐腐蚀等特点，被广泛应用到气瓶、风电、光伏、体育休闲等领域。随着碳纤维行业的不断发展和创新，国外先进的碳纤维企业开发出不同类型、不同性能的碳纤维，从K数上看，有6K、12K、24K、36K和48K及其他K等类型。我国碳纤维行业的发展相比与国外发展较晚，目前碳纤维性能高、生产稳定的产品类型主要集中在小丝束(3K、6K、12K和24K)，高性能大规格丝束碳纤维的制备在各应用领域对复合材料差异化需求有着重要意义。

中国专利202011081570.X公开了一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件及制备聚丙烯腈基大丝束碳纤维原丝的方法，该方法包括：1)采用丙烯腈水相悬浮聚合工艺得到聚丙烯腈聚合体，将聚合体溶解在溶剂中，经脱除气泡和过滤杂质后得到聚丙烯腈纺丝原液；2)使用一种大丝束碳纤维原丝用纺丝组件，纺丝组件由组合式过滤网、预分配板、分配板和喷丝板组成。实现原液在喷丝板面上径向挤出均匀，经凝固成型后得到初生纤维；3)初生纤维经过牵伸、水洗、热牵伸、前上油、干燥致密化、后上油、热定型及收丝得到大丝束碳纤维原丝。所涉及的纺丝组件解决了24K以上大丝束原丝喷丝板直径放大后，喷丝板面上径向挤出压力不均匀造成对纤维性能的影响，实现了大丝束原丝喷丝板面上没有断丝和飘丝，原丝纤度偏差0～3.0％，提高了原丝各项性能指标和工业化稳定生产。

中国专利202111646223.1公开了一种35k大丝束碳纤维及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：在空气气氛下，将35K大丝束聚丙烯腈共聚纤维放置于氧化炉内进行预氧化处理，制得35K大丝束碳纤维预氧丝，将35K大丝束碳纤维预氧丝进行低温碳化处理，将低温碳化处理后的35K大丝束碳纤维预氧丝进行高温碳化处理，将高温碳化处理后的35K大丝束碳纤维预氧丝进行表面处理以及上浆、烘干等处理，制得35K大丝束聚丙烯腈碳纤维，将制备的35K大丝束聚丙烯腈碳纤维样品放置在检测试剂中浸胶固化，进行力学性能测试。该种35k大丝束碳纤维及其制备方法，可以有效解决大丝束预氧以及预氧化的皮芯结构问题，提高了碳纤维复合材料应用的生产效率，降低生产成本。

发明内容

本发明在原材料的选择上采用国内供货量稳定的高性能小丝束碳纤维(3K、6K、12K或24K)，在生产制备大规格丝束的过程中，解决了制备大克重、大丝束聚丙烯腈原丝难以及相应碳化复杂的问题。从制备不同大规格(30K、36K、48K等)丝束碳纤维产品的角度出发，可以自由组合小丝束、合丝搭配制备不同类型产品，适应差异化市场应用需求，具有制备产品灵活性和适应性，迎合市场、创造价值。

本发明采用的技术方案为一种合丝制备大规格丝束碳纤维方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤S1：在惰性气体气氛下，将多束含上浆剂的小丝束聚丙烯腈基碳纤维放置在脱浆炉内进行脱浆处理，控制脱浆温度及脱浆时间，制得小丝束碳纤维脱浆丝。

步骤S2：将制得的多束小丝束脱浆丝叠加合丝，合并成所需大规格丝束碳纤维。

步骤S3：将合丝后的大规格丝束碳纤维依次经过水洗、水洗烘干、上浆、上浆烘干处理，卷绕制备成所需大规格丝束碳纤维产品。

所述步骤S1中含上浆剂的类型为环氧类树脂，热分解温度＜600℃。所述步骤S1中脱浆处理的牵伸比为0.98～1.02，所述步骤S2中叠加合丝的牵伸比为1.0～1.02，所述步骤S3中水洗处理的牵伸比为0.96～1.0，所述步骤S3中烘干处理的牵伸比为1.0～1.02。

所述上浆剂优选双酚A型，热分解温度＜380℃。

所述步骤S1中采用4个温度梯度脱浆炉，所述脱浆炉内温度区间为400～700℃，每个温区梯度温差50～100℃。

所述步骤S1中脱浆炉的生产速度为8～10m/min，脱浆时间为0.5～1.0min。

所述步骤S3中水洗处理为超声波和压缩空气结合处理型式。

所述超声波采用频率可调节模式，优选调节频率为25～30KHz。

所述压缩空气由底部向上垂直碳纤维丝束通入，优选通入压力为0.2～0.3MPa。

所述步骤S3中烘干处理采用2个串联接触式烘干辊筒，热源为0.3～0.5MPa饱和蒸汽，控制碳纤维含水率在0.1％以下。

所述串联第2个接触式烘干辊筒正上方设有导热油压辊，温度在常温～150℃可调，压辊气动压合压力在0.1～0.3MPa可调，将合并后的大规格丝束挤压热成型。

本发明的有益效果

1、本发明采用国内供货稳定的高性能小丝束碳纤维作为原材料，无需制备大克重、大丝束聚丙烯腈原丝以及相应碳化过程。

2、本发明采用4个温度梯度脱浆炉，通过脱浆温度和脱浆时间的工艺参数匹配，可以有效脱除小丝束碳纤维产品中携带的上浆剂。

3、本发明采用将脱浆丝叠加合丝、采用超声波和压缩空气相结合水洗处理、采用烘干挤压热成型，可以有效将多束小丝束碳纤维合并在一起，满足不同应用领域差异化市场需求，体现出制备大规格丝束产品的灵活性和适应性。

具体实施方式

比较例1：湿纺48K碳纤维，拉伸强度4300MPa，拉伸模量250GPa，断裂伸长率1.7％，线密度3200g/km。

比较例2：湿纺48K碳纤维，拉伸强度4480MPa，拉伸模量234GPa，断裂伸长率1.9％，线密度3200g/km。

实施例1：采用4根干喷湿纺12K碳纤维(产品性能为：拉伸强度4990MPa，拉伸模量244GPa，断裂伸长率2.0％，线密度806g/km，上浆剂类型为双酚A类，含浆量1.09％)，脱浆炉4温区设定温度400℃/450℃/500℃/550℃，生产速度为10m/min，脱浆时间为0.6min，水洗超声波频率为26KHz，压缩空气压力为0.25MPa，接触式烘干辊筒饱和蒸汽压力为0.3MPa，导热油压辊温度为135℃，压辊气动压合压力为0.18MPa，脱浆处理的牵伸比为1.0，叠加合丝的牵伸比为1.0，水洗处理的牵伸比为0.96，上浆烘干处理的牵伸比为1.01，卷绕制备的48K碳纤维拉伸强度4450MPa，拉伸模量248MPa，断裂伸长率1.8％，线密度3212g/km。

实施例2：采用2根干喷湿纺24K碳纤维(产品性能为：拉伸强度4970MPa，拉伸模量238GPa，断裂伸长率2.0％，线密度1607g/km，上浆剂类型为双酚A类，含浆量1.08％)，采用相同的合丝制备工艺，卷绕制备的48K碳纤维拉伸强度4440MPa，拉伸模量247MPa，断裂伸长率1.8％，线密度3204g/km。

实施例3：采用3根干喷湿纺12K碳纤维(产品性能为：拉伸强度4990MPa，拉伸模量244GPa，断裂伸长率2.0％，线密度806g/km，上浆剂类型为双酚A类，含浆量1.09％)，采用相同的合丝制备工艺，卷绕制备的36K碳纤维拉伸强度4678MPa，拉伸模量248MPa，断裂伸长率1.9％，线密度2420g/km。

实施例4：采用1根干喷湿纺12K碳纤维(产品性能为：拉伸强度4990MPa，拉伸模量244GPa，断裂伸长率2.0％，线密度806g/km，上浆剂类型为双酚A类，含浆量1.09％)和1根干喷湿纺24K碳纤维(产品性能为：拉伸强度4970MPa，拉伸模量238GPa，断裂伸长率2.0％，线密度1607g/km，上浆剂类型为双酚A类，含浆量1.08％)，采用相同的合丝制备工艺，卷绕制备的36K碳纤维拉伸强度4740MPa，拉伸模量249MPa，断裂伸长率1.9％，线密度2407g/km。