【技术实现步骤摘要】
本申请涉及碳纤维生产，且特别涉及一种3k聚丙烯腈原丝、高强型3k碳纤维及其制备方法。
技术介绍
1、小丝束碳纤维因具有轻量化和高强度等特点，又被称为航空航天级碳纤维，在直升机旋翼叶片、机翼组件、螺旋桨、座椅和仪表外壳等都有广泛应用。小丝束碳纤维中，3k碳纤维是目前应用最为广泛、最受欢迎的一种，而如何进一步提高3k碳纤维的强度也是目前的研究热点之一。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本申请实施例的目的包括提供一种3k聚丙烯腈原丝、高强型3k碳纤维及其制备方法，可有效提高3k碳纤维的力学强度。
2、第一方面，本申请提供一种3k聚丙烯腈原丝的制备方法，包括如下步骤：
3、采用干喷湿纺法，将纺丝原液经由4k喷丝板喷出后经空气层进入凝固浴中成型，再经水洗、水牵、上油、烘干和蒸汽牵伸，制得3k聚丙烯腈原丝。
4、在上述技术方案中，常规技术中通常使用3k喷丝板制备3k碳纤维原丝，本申请中通过采用4k喷丝板代替3k喷丝板进行干喷湿纺，在总供浆量相同、牵伸倍数等均相同的基础上，制备得到更加细旦化、强力更高的3k聚丙烯腈原丝。
5、在本申请的部分实施例中，空气层的高度为5～15mm。
6、和/或，凝固浴包括溶剂和凝固剂，凝固剂为水，溶剂的质量浓度为25％～45％；凝固浴的温度为0～15℃，ph值为8.0～9.0。
7、和/或，3k聚丙烯腈原丝的总牵伸倍数为9～35倍。
8、在本申请的部分实施例中，纺丝原液和凝固浴使用
9、在上述技术方案中，通过控制干喷湿纺法各工段的条件，可使得原丝更细旦化，分子链沿纤维轴向择优取向，结晶度更高，而原丝的高取向度及高的致密性是制备高强碳纤维的基础。
10、在本申请的部分实施例中，上油工段中使用的油剂包括环氧硅油、氨基硅油或聚醚硅油中的至少一种。可选地，3k聚丙烯腈原丝的含油率在0.5％～0.8％。
11、在上述技术方案中，通过复配以上硅油，可以使复合油剂既能够提高油剂在丝束表面的成膜性和保护性，也能使丝束具有高的耐热性，进而提升碳纤维的力学性能。
12、第二方面，本申请提供一种采用上述制备方法制备得到的3k聚丙烯腈原丝，其纤度为0.70～0.90dtex，单丝强度为8.0～10.0cn/dtex，单丝模量为75～110cn/dtex。
13、在上述技术方案中，采用常规3k喷丝板制备得到的聚丙烯腈原丝，纤度为1.1dtex左右，本申请中采用4k喷丝板代替3k喷丝板进行干喷湿纺，制备得到更细旦化、强度更高的3k聚丙烯腈原丝。
14、第三方面，本申请提供一种3k碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
15、对3k聚丙烯腈原丝依次进行预氧化处理、低温碳化处理、高温碳化处理和后处理，获得高强型3k碳纤维。
16、在上述技术方案中，采用纤度更低、强度更高的3k聚丙烯腈原丝，再结合预氧化处理、低温碳化处理、高温碳化处理，可明显提高3k碳纤维的力学强度。
17、在本申请的部分实施例中，预氧化处理包括：对聚丙烯腈原丝进行由210℃至265℃的梯度加热，在210℃～265℃区间内设有5～7个氧化温区，相邻两个氧化温区之间的温差为2℃～20℃。
18、在上述技术方案中，聚丙烯腈原丝在预氧化阶段会发生剧烈的环化反应，易出现短时间的集中放热，导致纤维内部结构受损。通过设置多个氧化温区，平缓反应速率，进而可改善纤维结构，增强纤维的热稳定性和结晶度。
19、在本申请的部分实施例中，低温碳化处理包括：对经预氧化处理后获得的预氧化纤维进行由380℃至720℃的梯度加热，在380℃～720℃区间内设有7～9个第一碳化温区，相邻两个第一碳化温区之间的温差为40℃～100℃。可选地，低温碳化处理的总时间为4～6min。
20、在上述技术方案中，纤维在低温碳化阶段发生的放热反应不如预氧化过程中环化反应那么剧烈，但是仍然会出现短时间的集中放热，容易使得纤维瞬时温度升高，导致内部结构受损，同时纤维内部反应的分解产物得不到瞬时排除，使得焦油等杂质粘连到纤维造成表面缺陷，导致纤维性能降低。通过在低温碳化阶段设置多个第一碳化温区，对纤维内部反应剧烈的温度区间的温度梯度进行降低，延长碳化时间，使纤维在集中反应区间的反应速率降低，可以降低纤维内部产物分解速率使保护氮气能及时将其清理，降低污染风险。
21、在本申请的部分实施例中，高温碳化处理包括：对经过低温碳化处理后获得的低温碳化纤维进行由1050℃至1300℃的梯度加热，在1050℃～1300℃区间内设有3～5个第二碳化温区，相邻两个第二碳化温区之间的温差为0～150℃。可选地，高温碳化处理的总时间为3～5min。
22、在上述技术方案中，碳化温度在1000-1300℃范围内是纤维内部脱氮的高峰区，缩合反应加剧，使得大量的氮以氮气形式集中逸出，造成纤维内部出现大量空隙缺陷，使碳纤维密度降低。因此，设置多个第二碳化温区，使纤维在不同反应温度区间处，通过多温区调节温度梯度，从而平缓反应速率，可以减少氮气集中从纤维内部逸出时造成较大孔隙，有效控制氮气逸出速度，使得所造成的孔隙通道尺寸降低，从而纤维整体孔隙率随之降低，有效提升碳纤维密度，进而提高碳纤维的拉伸强度。
23、在本申请的部分实施例中，后处理包括表面处理、水洗、上浆、干燥和卷绕。
24、第四方面，本申请实施例提供一种高强型3k碳纤维，由上述制备方法制备得到，高强型3k碳纤维的拉伸强度为5000～6000mpa，拉伸模量为230～260gpa。
25、本申请实施例提供的高强型3k碳纤维具有优异的力学性能，相较于常规3k碳纤维，拉伸强度和拉伸模量都得到明显提升。
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1.一种3k聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空气层的高度为5～15mm；
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝原液和所述凝固浴使用的溶剂相同，所述溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的至少一种；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述上油工段中使用的油剂包括环氧硅油、氨基硅油或聚醚硅油中的至少一种；
5.一种由权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的3k聚丙烯腈原丝，其特征在于，所述3k聚丙烯腈原丝的纤度为0.70～0.90dtex，单丝强度为8.0～10.0cN/dtex，单丝模量为75～110cN/dtex。
6.一种高强型3k碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：依次对如权利要求5所述的3k聚丙烯腈原丝进行预氧化处理、低温碳化处理、高温碳化处理和后处理，获得高强型3k碳纤维。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理包括：对所述聚丙烯腈原丝进行由210℃至265
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述低温碳化处理包括：对经所述预氧化处理后获得的预氧化纤维进行由380℃至720℃的梯度加热，在380℃～720℃区间内设有7～9个第一碳化温区，相邻两个所述第一碳化温区之间的温差为40～100℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高温碳化处理包括：对经过所述低温碳化处理后获得的低温碳化纤维进行由1050℃至1300℃的梯度加热，在1050～1300℃区间内设有3～5个第二碳化温区，相邻两个所述第二碳化温区之间的温差为0～150℃。
10.一种高强型3k碳纤维，其特征在于，由权利要求6～9任一项所述的制备方法制备得到，所述高强型3k碳纤维的拉伸强度为5000～6000MPa，拉伸模量为230～260GPa。
...【技术特征摘要】
1.一种3k聚丙烯腈原丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空气层的高度为5～15mm；
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝原液和所述凝固浴使用的溶剂相同，所述溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的至少一种；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述上油工段中使用的油剂包括环氧硅油、氨基硅油或聚醚硅油中的至少一种；
5.一种由权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的3k聚丙烯腈原丝，其特征在于，所述3k聚丙烯腈原丝的纤度为0.70～0.90dtex，单丝强度为8.0～10.0cn/dtex，单丝模量为75～110cn/dtex。
6.一种高强型3k碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：依次对如权利要求5所述的3k聚丙烯腈原丝进行预氧化处理、低温碳化处理、高温碳化处理和后处理，获得高强型3k碳纤维。
7.根据权利要求6所...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏新强，庄二祥，唐亚飞，李相儒，张学会，卞磊，
申请(专利权)人：中复神鹰碳纤维连云港有限公司，
类型：发明
国别省市：
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