一种碳纤维原丝的制备方法

摘要

本发明涉及碳纤维技术领域，尤其涉及一种碳纤维原丝的制备方法，原液过滤包括以下步骤：通过管道导引原液在动力作用下自上而下经过若干一级过滤孔位，一级过滤孔位为锥形孔位，顶部第一孔径小于底部第二孔径，且所有一级过滤孔位的入口流通面积之和小于管道的流通面积；自一级过滤孔位流出的原液经过若干二级过滤孔位，二级过滤孔位包括曲面收缩段和曲面扩张段，中部第三孔径小于第二孔径且大于第一孔径；自二级过滤孔位流出的原液经过若干三级过滤孔位，三级过滤孔位包括锥形段和圆柱段，二级过滤孔位的轴线与三级过滤孔位的轴线错位设置，所有圆柱段的流通面积之和等于管道的流通面积。通过本发明，可有效降低喷丝后丝束的断丝率，避免毛丝等现象。

权利要求

1.一种碳纤维原丝的制备方法，包括原液制备、喷丝挤出、凝固成型、牵伸、水洗、上油、干燥和热定型步骤，其特征在于，还包括设置在所述原液制备和喷丝挤出之间的原液过滤，所述原液过滤包括以下步骤：增压过滤：通过管道导引原液在动力作用下自上而下通过若干一级过滤孔位，所述一级过滤孔位为锥形孔位，顶部第一孔径小于底部第二孔径，且所有一级过滤孔位的入口流通面积之和小于所述管道的流通面积；

一次释压过滤：自所述一级过滤孔位流出的原液通过若干二级过滤孔位，所述二级过滤孔位沿原液流通方向包括曲面收缩段和曲面扩张段，两段中的曲面均向孔位内凸出，其中，中部瓶颈处最小的第三孔径小于所述第二孔径且大于第一孔径，所述二级过滤孔位与一级过滤孔位的轴线一一对应重合设置；

二次释压过滤：自所述二级过滤孔位流出的原液经过若干三级过滤孔位，所述三级过滤孔位沿原液流通方向包括锥形段和与所述锥形段的小直径端连接的圆柱段，每个所述二级过滤孔位与至少两个所述三级过滤孔位对应，且二级过滤孔位的轴线与三级过滤孔位的轴线错位设置，其中，所有所述圆柱段的流通面积之和等于所述管道的流通面积。

2.根据权利要求1所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述增压过滤中增压比例小于等于10％。

3.根据权利要求1所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述曲面收缩段在原液流通方向上的长度和曲面变化程度大于所述曲面扩张段。

4.根据权利要求1或3所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述二级过滤孔位顶部的第四孔径大于所述第二孔径。

5.根据权利要求1所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，对应关系中的至少两个所述三级过滤孔位关于所述二级过滤孔位的轴线对称设置。

6.根据权利要求1所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述曲面收缩段和曲面扩张段平滑过渡。

7.根据权利要求1所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述凝固成型包括以下步骤：通过对称设置的两第一主动辊对来自喷丝头的丝束进行夹持，并通过主动滚动所产生的摩擦力为所述丝束提供动力；

令部分凝固浴形成沿丝束传播方向进行流动的液流，且液流的末端撞击在两个所述第一主动辊最高点之间的反射区域内，形成反射液流；

通过在两所述第一主动辊上方沿所述丝束对称设置的两第二主动辊，对由所述反射液流而分离的断丝进行收卷，其中，所述第二主动辊与所述丝束间隔设置。

8.根据权利要求7所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述第二主动辊的直径小于所述第一主动辊的直径。

9.根据权利要求7或8所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，所述第一主动辊和第二主动辊的转动方向相同。

10.根据权利要求7所述的碳纤维原丝的制备方法，其特征在于，部分凝固浴所形成的液流的流动速度与所述丝束的移动速度相同。

说明书

一种碳纤维原丝的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及碳纤维技术领域，尤其涉及一种碳纤维原丝的制备方法。

背景技术

[0002] 碳纤维是含碳量高于90%的无机纤维，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，其微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维（carbonfiber），顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，可用于制备众多复合型材料。碳纤维具有轴向强度和模量高、抗蠕变、耐疲劳、耐腐性、耐高温等一系列优异的性能；且纤维的密度低，热膨胀系数小，比热及导电性介于非金属和金属之间，X射线透过性好。碳纤维的抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是传统钢材料的7倍多，而它的比重不到钢的1/4，碳纤维材料的高比强度、高比模量预示了其在工程的广阔应用前景。目前，碳纤维已被广泛用于建筑，化工，体育、航天以及汽车等领域。

[0003] 原丝是制取高性能碳纤维的前提，而在纺丝过程中，纤维的断丝率及线密度的稳定性，影响最终得到原丝的性能，从而直接影响了碳纤维的性能，如何有效降低喷丝后丝束的断丝率，从而避免纤维纺制过程中所发生的毛丝等现象，成为了目前本领域技术人员亟待解决的问题。

[0004] 鉴于上述需求的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种碳纤维原丝的制备方法，使其更具有实用性。

发明内容

[0005] 本发明中提供一种碳纤维原丝的制备方法，从而有效解决背景技术中的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0007] 一种碳纤维原丝的制备方法，包括原液制备、喷丝挤出、凝固成型、牵伸、水洗、上油、干燥和热定型步骤，还包括设置在所述原液制备和喷丝挤出之间的原液过滤，所述原液过滤包括以下步骤：

[0008] 增压过滤：通过管道导引原液在动力作用下自上而下通过若干一级过滤孔位，所述一级过滤孔位为锥形孔位，顶部第一孔径小于底部第二孔径，且所有一级过滤孔位的入口流通面积之和小于所述管道的流通面积；

[0009] 一次释压过滤：自所述一级过滤孔位流出的原液通过若干二级过滤孔位，所述二级过滤孔位沿原液流通方向包括曲面收缩段和曲面扩张段，两段中的曲面均向孔位内凸出，其中，中部瓶颈处最小的第三孔径小于所述第二孔径且大于第一孔径，所述二级过滤孔位与一级过滤孔位的轴线一一对应重合设置；

[0010] 二次释压过滤：自所述二级过滤孔位流出的原液经过若干三级过滤孔位，所述三级过滤孔位沿原液流通方向包括锥形段和与所述锥形段的小直径端连接的圆柱段，每个所述二级过滤孔位与至少两个所述三级过滤孔位对应，且二级过滤孔位的轴线与三级过滤孔位的轴线错位设置，其中，所有所述圆柱段的流通面积之和等于所述管道的流通面积。

[0011] 进一步地，所述增压过滤中增压比例小于等于10％。

[0012] 进一步地，所述曲面收缩段在原液流通方向上的长度和曲面变化程度大于曲面扩张段。

[0013] 进一步地，所述二级过滤孔位顶部的第四孔径大于所述第二孔径。

[0014] 进一步地，对应关系中的至少两个所述三级过滤孔位关于所述二级过滤孔位的轴线对称设置。

[0015] 进一步地，所述曲面收缩段和曲面扩张段平滑过渡。

[0016] 进一步地，所述凝固成型包括以下步骤：

[0017] 通过对称设置的两第一主动辊对来自喷丝头的丝束进行夹持，并通过主动滚动所产生的摩擦力为所述丝束提供动力；

[0018] 令部分凝固浴形成沿丝束传播方向进行流动的液流，且液流的末端撞击在两个所述第一主动辊最高点之间的反射区域内，形成反射液流；

[0019] 通过在两所述第一主动辊上方沿所述丝束对称设置的两第二主动辊，对由所述反射液流而分离的断丝进行收卷，其中，所述第二主动辊与所述丝束间隔设置。

[0020] 进一步地，所述第二主动辊的直径小于所述第一主动辊的直径。

[0021] 进一步地，所述第一主动辊和第二主动辊的转动方向相同。

[0022] 进一步地，部分凝固浴所形成的液流的流动速度与所述丝束的移动速度相同。

[0023] 本发明的有益效果为：本发明中，通过三层过滤孔位的设置，使得原液中不同粒径的杂质获得各自的过滤方式，且最终保证原液以相对稳定的压力而到达喷丝板，可有效降低喷丝后丝束的断丝率。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为一级过滤孔位、二级过滤孔位和三级过滤孔位之间的位置关系；

[0026] 图2为一级过滤孔位的结构示意图；

[0027] 图3为二级过滤孔位的结构示意图；

[0028] 图4为三级过滤孔位的结构示意图；

[0029] 图5为实施凝固成型的设备框架图；

[0030] 附图标记：

[0031] 1、一级过滤孔位；11、第一孔径；12、第二孔径；2、二级过滤孔位；21、曲面收缩段；22、曲面扩张段；23、第三孔径；24、第四孔径；3、三级过滤孔位；31、锥形段；32、圆柱段；4、喷丝头；5、第一主动辊；6、反射区域；7、第二主动辊。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0033] 在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0034] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本实施例采用递进的方式撰写。

[0035] 如图1 4所示，一种碳纤维原丝的制备方法，包括原液制备、喷丝挤出、凝固成型、~牵伸、水洗、上油、干燥和热定型步骤，原液过滤包括以下步骤：

[0036] S1.增压过滤：通过管道导引原液在动力作用下自上而下通过若干一级过滤孔位1，一级过滤孔位1为锥形孔位，顶部第一孔径11小于底部第二孔径12，且所有一级过滤孔位
1的入口流通面积之和小于管道的流通面积；

[0037] 在工作过程中，通过第一孔径11对原液中的杂质进行阻挡，实现一级的阻隔过滤，所有一级过滤孔位1设置在板体结构上；此步骤中的过滤主要针对无法通过第一孔径11的较大尺寸杂质，另外通过上述孔径的尺寸设置，在管道到一级过滤孔位1之间的区域内，因一级过滤孔位1的节流而形成增压区域，本发明中增压的目的在于为后续的过程提供适当的动力提升，当然需要严格控制提升比例，不得超过10％，从而避免对溶剂、丙烯腈、共聚单体和引发剂等聚合得到的纺丝原液造成影响；

[0038] S2.一次释压过滤：自一级过滤孔位1流出的原液通过若干二级过滤孔位2，二级过滤孔位2沿原液流通方向包括曲面收缩段21和曲面扩张段22，两段中的曲面均向孔位内凸出，其中，中部瓶颈处最小的第三孔径23小于第二孔径12且大于第一孔径11，二级过滤孔位2与一级过滤孔位1的轴线一一对应重合设置；

[0039] 在上述步骤中，实现第二级的碰撞过滤，原液通过一级过滤孔位1的出口端而获得分散状的流动趋势，此时的原液中还存在小颗粒杂质，当携带杂质的原液碰撞到曲面收缩段21的曲面时，杂质由于碰撞而改变运动速度，且获得沿曲面下滑的趋势，而原液经过曲面收缩段21后，对由一级过滤孔位1的出口端释放的压力重新进行提升，但是由于第三孔径23小于第二孔径12且大于第一孔径11，因此相对于步骤S1中的增压获得了适当的释放压力，仅保证到达曲面扩张段22的原液压力仍然大于管道内的液体压力，其中，优选曲面收缩段21和曲面扩张段22平滑过渡，通过曲面平滑过渡的方式，可起到稳定原液的作用，为了提高杂质的碰撞几率，曲面收缩段21在原液流通方向上的长度和曲面变化程度大于曲面扩张段
22，从而可有效增大曲面收缩段21的表面积，增加碰撞几率，出于同样的目的，本实施例中，二级过滤孔位2顶部的第四孔径24大于第二孔径12；而曲面扩张段22则仅仅用于原液的导向，本实施中，不对原液进行过大范围的导向，避免原液流通过程中方向发生过大的变化而引起不稳定的情况；

[0040] S3.二次释压过滤：自二级过滤孔位2流出的原液经过若干三级过滤孔位3，三级过滤孔位3沿原液流通方向包括锥形段31和与锥形段31的小直径端连接的圆柱段32，每个二级过滤孔位2与至少两个三级过滤孔位3对应，且二级过滤孔位2的轴线与三级过滤孔位3的轴线错位设置，其中，所有圆柱段32的流通面积之和等于管道的流通面积。

[0041] 在实施过程中，通过降低三级过滤孔位3的直径可有效的提高过滤效果，但是在实际的生产过程中，通过大量的生产经验发现过小的孔径容易造成后续的断丝，因此，本发明中，并不需要过分的降低三级过滤孔位3的直径，而是通过二级过滤孔位2侧壁对杂质的第一次碰撞，以及当原液自二级过滤孔位2流出后，因二级过滤孔位2和三级过滤孔位3的错位，使得杂质第二次与设置三级过滤孔位3的板体结构碰撞，通过上述碰撞方式使得细小的杂质获得较大几率的过滤，而被限制在二级过滤孔位2与三级过滤孔位3设置板体之间的间隙内，优选在对应关系中的至少两个三级过滤孔位3关于二级过滤孔位2的轴线对称设置，从而提高原液流通稳定性；通过圆柱段32的设置，原液基本以原本的压力向喷丝组件流通，其通过适当增加圆柱段32的长度可保证原液流通的稳定性，从而一方面避免喷丝板的堵塞，同时也通过压力的稳定性来提高出丝的稳定性。

[0042] 本发明中，通过三层过滤孔位的设置，使得原液中不同粒径的杂质获得各自的过滤方式，且最终保证稳定的压力而到达喷丝板，可有效降低喷丝后丝束的断丝率。

[0043] 上述技术方案中，虽可有效缓解断丝的情况，但是仍无法完全杜绝，为了避免丝束纺制过程中的毛丝等现象，作为上述实施例的优选，凝固成型包括以下步骤：

[0044] 通过对称设置的两第一主动辊5对来自喷丝头4的丝束进行夹持，并通过主动滚动所产生的摩擦力为丝束提供动力；使部分凝固浴形成沿丝束传播方向进行流动的液流，且液流的末端撞击在两个第一主动辊5最高点之间的反射区域6内，形成反射液流；通过在两第一主动辊5上方沿丝束对称设置的两第二主动辊7，对由反射液流而分离的断丝进行收卷，其中，第二主动辊7与丝束间隔设置。

[0045] 如图5所示，其中纵向的虚线表示凝固浴液流的方向，通过上述液流可降低丝束运行过程中的阻力，有助于纤维性能的提升，液流在第一主动辊5表面反射，因此会在两第一主动辊5之间形成与原本液流方向交叉的反射液流，通过此反射液流对丝束进行一定程度的冲击，从而使得其中的断丝头部自丝束中被分离，在反射区域6内，由于丝束受到第一主动辊5的支撑，因此上述反射液流对丝束的影响在可控范围内；当断丝被分离后，由于第二主动辊7在一定范围内形成漩涡液流，因此会将断丝头部卷入，而进行断丝的同步收卷；被两第一主动辊5导出的丝束可在后续变向辊轮的导向下继续传输至后道。

[0046] 在上述收卷过程中，需要保证断丝的收卷速度和丝束的传输速度是一致的，但是为了避免第二主动辊7所带动的漩涡液流对反射前的液流造成影响，第二主动辊7的直径小于第一主动辊5的直径，而减小其作用范围，但是却可获得较高的转速而形成吸引力更大的漩涡液流，从而有效将断丝卷入。同样为了提高断丝卷入效果，第一主动辊5和第二主动辊7的转动方向相同。

[0047] 作为上述实施例的优选，部分凝固浴所形成的液流的流动速度与所述丝束的移动速度相同，从而降低对丝束的影响。

[0048] 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。