【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维，具体涉及一种高性能碳纤维原丝的制备方法及得到的碳纤维和应用。
技术介绍
1、碳纤维是一种含碳量在90％以上的新型纤维材料，其质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀等特性。碳纤维的轴向强度和模量高、密度低、耐疲劳性好、非氧化环境下耐高温，碳纤维的比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，x射线透过性好。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代高性能纤维。
2、碳纤维按其原丝来源可分为聚丙烯腈基、黏胶基和沥青基等三大原料体系。其中聚丙烯腈基碳纤维因其制备过程简单，碳纤维性能优异等优势，得到了迅速的发展，产量最大，约占全球碳纤维产量90％以上。
3、碳纤维原丝是制备高性能碳纤维的关键，高质量的碳纤维原丝是制备高性能碳纤维的基础，如何制备高质量的碳纤维原丝一直以来是碳纤维制备过程的重点和难点。碳纤维原丝的制备过程按其纺丝过程的不同可分为干喷湿法纺丝和湿法纺丝。湿法纺丝具有过程易控、纤维溶剂残留量少、制备出的碳纤维表面沟槽深与复合材料结合性能好等优势，是制备碳纤维原丝的重要方法之一。
4、可通过湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的溶剂体系有多种，目前已实现工业生产的有硫氰酸钠体系、二甲基亚砜体系、二甲基乙酰胺等，其中以二甲基亚砜作为溶剂制备聚丙烯腈基碳纤维原丝具有毒性较小、聚丙烯腈共聚物在溶剂中的溶解度大等特点，是湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的重要方法。
5、上油过程是聚丙烯腈基碳纤维原丝及碳
6、上油过程的均匀性对于原丝生产连续性和碳纤维力学性能的提高至关重要。不均的上油致使一束纤维中的部分纤维附着较多的油剂，而这些额外附着的油剂在后续的干燥致密化中更容易从纤维间脱离，致使干燥致密化辊上附着油剂，一方面影响热辊传热效率，致使一束丝束不同纤维间干燥致密化存在差异，影响原丝力学性能，进而影响碳纤维力学性能；另一方面过多的油剂脱落，致使热辊表面传热效率变差，不得不停车或在线清洗热辊表面脱落的干燥油剂。一直以来，如何确保纤维经过上油后每根纤维均能均匀涂覆油剂是碳纤维原丝制备过程中的一个难点也是重点。
7、专利cn106868616a通过多级上油装置，结合梯度上油和多级挤压的工艺，来提升上油的均匀性。专利cn109097846a采用压杆震动的方式，提高干喷湿法纺丝过程中纤维上油的均匀性。专利cn110685029a采用在第2道上油前进行水浸润的方式，确保进入第二道上油前的纤维的含水率进而提高上油的均匀性。专利cn111088535a、jp1989266214a和cn204455378u采用超声上油的方法提高纤维的上油均匀性。jp3891025b2采用控制离开油剂槽丝束间距的方式控制上油过程。专利jp1995011511a采用在油剂槽内增加导辊的方式提高上油过程的均匀性。专利jp1997268427a采用控制离浴丝束面积和压辊压力方式来提高干喷湿法纺丝过程上油的均匀性。专利jp1997268478a采用控制油浴槽内温度来提高上油过程的均匀性。上述专利中除专利jp1997268427a通过控制离浴后丝束的特性来提高纤维的上油均匀性，其余均采用控制油剂槽内上油过程的均匀性，均忽略了上油后压辊对纤维上油均匀性的影响。但上述专利中包括jp1997268427a中采用的压辊为沿最后一个上油罗拉中心铅垂线方向的压辊，通常现有技术均采用上述技术方案，如图书《化学纤维手册》(中国纺织出版社，沈新远，2008年9月，第810页)和《碳纤维及石墨纤维》(化学工业出版社，贺福，2010年9月，第83页)中提到的上油过程。上述现有技术均忽略了最后一个罗拉压辊位置对上油过程的影响，更忽略了上油均匀性对干燥致密化过程清理频率和碳纤维力学性能的影响，更未明确表明合适湿法纺丝的压辊的位置及其特性，存在明显不足。
技术实现思路
1、本专利技术主要解决现有技术中存在的聚丙烯腈纤维原丝制备过程中因上油不均导致的干燥致密化清理油渍频率高和碳纤维力学性能差的问题，提供了一种高性能碳纤维原丝的制备方法，较好地解决了该问题，具有干燥致密化清理油渍频率低和碳纤维力学性能好的优点。
2、本专利技术的目的之一在于提供一种高性能碳纤维原丝的制备方法，包括湿法纺丝的步骤，其中，纤维束在经过上油后，由两个离浴罗拉引出，第一离浴罗拉部分浸没在油剂槽内，第二离浴罗拉位于油剂液面以上，第二个离浴罗拉上设置有压辊，且第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为40～120°，压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1.2倍。
3、在一种优选的实施方式中，所述的第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为45～110°；所述的压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1倍；例如，夹角α为45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°，压辊直径为第二离浴罗拉直径的0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0倍。
4、在一种优选的实施方式中，所述的压辊与所述的第二离浴罗拉的压力为0.1～0.5mpa，优选为0.2～0.4mpa，例如，压辊与第二离浴罗拉的压力为0.2、0.3、0.4mpa。
5、在一种优选的实施方式中，所述的压辊上涂覆橡胶，优选地，所述橡胶的厚度为10～40mm，邵氏硬度为72～100。所采用的橡胶种类无特别限定，能够满足邵氏硬度要求即可，所采用橡胶的厚度可以为10、20、30、40mm，邵氏硬度可以为80、90、100。
6、在一种优选的实施方式中，所述纤维束在第二离浴罗拉的线速度为10～40m/min；所述第一离浴罗拉的线速度与所述第二离浴罗拉的线速度的比值为0.99～1.01，例如，纤维束在第二离浴罗拉的线速度可以为10、20、30、40m/min，第一离浴罗拉的线速度与第二离浴罗拉的线速度的比值可以为0.99、1.0、1.01。
7、本专利技术优选的实施方案中，所述的制备方法包括聚丙烯腈纺丝原液依次通过湿法凝固成型、多级凝固牵伸、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、蒸汽热定型、收丝。具体地，所述的水洗温度为60～80℃；所述干燥致密化采用梯度升温，温度为90～140℃；所述的蒸汽牵伸压力为0.2～0.6mpa。其他操作为本领域中常用的操作工艺，根据实际工艺需求，选择适合的操作方式和工艺条件即可。
8、本专利技术的目的之二在于提供一种高性能碳纤维原丝，由上述制备方法制备得到。
9、本专利技术的目的之三在于提供一种碳纤维，由包含上述高性能碳纤维原丝制备得到。
10、纤维的上油过程可为两个过程，纤维在油剂槽内的浸没过程本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高性能碳纤维原丝的制备方法，包括湿法纺丝的步骤，其中，纤维束在经过上油后，由两个离浴罗拉引出，第一离浴罗拉部分浸没在油剂槽内，第二离浴罗拉位于油剂液面以上，第二个离浴罗拉上设置有压辊，且第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为40～120°，压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1.2倍。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为45～110°，所述的压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1倍。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的压辊与所述的第二离浴罗拉的压力为0.1～0.5MPa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的压辊上涂覆橡胶，优选地，所述橡胶的厚度为10～40mm，邵氏硬度为72～100。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括聚丙烯腈纺丝原液依次通过湿法凝固成型、多级凝固牵伸、热水牵伸、水洗、上油
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的水洗温度为60～80℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述干燥致密化温度为90～140℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的蒸汽牵伸压力为0.2～0.6MPa。
10.一种高性能碳纤维原丝，由权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到。
11.一种碳纤维，由包含权利要求10所述的高性能碳纤维原丝制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能碳纤维原丝的制备方法，包括湿法纺丝的步骤，其中，纤维束在经过上油后，由两个离浴罗拉引出，第一离浴罗拉部分浸没在油剂槽内，第二离浴罗拉位于油剂液面以上，第二个离浴罗拉上设置有压辊，且第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为40～120°，压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1.2倍。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的第二罗拉中心和压辊中心连线与第二罗拉中心铅垂线的上方夹角α为45～110°，所述的压辊直径为所述的第二离浴罗拉直径的0.5～1倍。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的压辊与所述的第二离浴罗拉的压力为0.1～0.5mpa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的压辊上涂覆橡胶，优选地，所述橡胶的厚度为10...
【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，康新贺，沈志刚，姜泽明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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