聚丙烯腈纖維的熱水牽伸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚丙烯腈纖維的熱水牽伸方法，具體來說是一種采用新型結(jié)構(gòu)熱水牽伸槽進(jìn)行聚丙烯腈纖維的熱水牽伸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PAN基碳纖維是一種人工合成的無機(jī)纖維。它是由丙烯腈和共聚單體，經(jīng)過聚合、紡絲、預(yù)氧化和碳化等一系列工藝處理后得到的纖維狀聚合物。紡絲過程中PAN分子主要發(fā)生物理變化，形成白色的纖維狀原絲，預(yù)氧化過程中，PAN原絲逐漸演變成某種耐熱的含氧結(jié)構(gòu)，經(jīng)碳化后，得到含碳量極高的碳纖維。由于碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕等性能，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛。
[0003]聚丙烯腈原絲的制備涉及原液的制備和原液的紡絲兩個(gè)大過程，其中原液的制備包括聚合，脫單和脫泡三道道工序，原液的紡絲包括原液的過濾、計(jì)量、凝固、熱水牽伸、水洗、上油、干燥致密化蒸汽牽伸、熱定型和卷繞等十幾道工序。如上所述，原絲的制備用到的牽伸工藝有熱水牽伸和飽和水蒸汽牽伸，牽伸工序是實(shí)現(xiàn)原絲細(xì)旦化和高強(qiáng)化的必然選擇。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件，也是影響碳纖維質(zhì)量最關(guān)鍵的因素之一。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PAN原絲對(duì)紡絲設(shè)備和工藝提出了很高的要求，尤其是對(duì)工藝參數(shù)的要求尤其嚴(yán)苛。
[0004]熱水是實(shí)現(xiàn)聚丙烯腈原絲熱水牽伸的重要介質(zhì)，其主要是原絲在溫度接近沸水的的熱水里面實(shí)現(xiàn)高倍牽伸的工序。傳統(tǒng)的熱水牽伸槽，加熱盤管位于牽伸槽的底部，孔眼板與盤管幾乎接觸，位于盤管的正上部，加熱介質(zhì)為6公斤及以上的飽和蒸汽。這樣的結(jié)構(gòu)，使得盤管和水的換熱劇烈，致使盤管表面急劇形成氣泡，氣泡通過孔眼板的孔眼和孔眼板兩側(cè)的空隙，擴(kuò)散至原絲附近，引起原絲產(chǎn)生毛絲、斷絲和纏輥現(xiàn)象，影響正常紡絲。
[0005]傳統(tǒng)濕法紡絲生產(chǎn)PAN原絲的過程中，所用的凝固浴槽主要由主體槽體、分配板和溢流板組成，其中溢流板為實(shí)心無孔鋼板。該種結(jié)構(gòu)的凝固浴槽，在凝固液循環(huán)的過程中，上層流體更新的速度快，中層流體更新的速度慢，下層流體幾乎不更新，造成了溫度場和濃度場在高度方向上的不均勻性。最嚴(yán)重情況下，在噴絲板豎直方向3cm(約等于噴絲板的直徑)的間隔下，凝固液溫度的上下差距在5?7V ;凝固液濃度的上下差距在0.5%以上。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的溫度場和濃度場的不均勻性，會(huì)引起在高度方向上不同位置成形后的初生纖維結(jié)構(gòu)和性能的差異性，由此遺傳下去，造成原絲毛絲增多，斷頭率變高，CV值變大。
[0006]一種用于生產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維原絲的熱水牽伸槽，改進(jìn)了傳統(tǒng)熱水牽伸槽的孔眼板的位置，增加了孔眼板支架，改變了加熱介質(zhì)的種類和流向，克服了傳統(tǒng)熱水牽伸槽設(shè)計(jì)的缺陷，提高了槽內(nèi)溫度場的均勻性，減少了氣泡對(duì)原絲的擾動(dòng)，消除了原絲毛絲多、斷絲多和纖維纏輥現(xiàn)象。
[0007]專利CN201120356835公開了一種熱水牽伸箱，包括:機(jī)架和熱水箱體。熱水箱體內(nèi)設(shè)有拉伸箱、加熱箱，所述拉伸箱和加熱箱之間通過一熱水循環(huán)路線循環(huán)聯(lián)通。通過上述方式，該使用新型能夠通過熱水在兩個(gè)箱體之間循環(huán)工作，合理的利用了工作空間，提高了熱效率，使水溫更加均勻地利于塑料單絲的拉伸。該專利中沒有提及熱水牽伸箱工作的溫度范圍。在接近沸水溫度的熱水牽伸過程中，就沸水產(chǎn)生的氣泡對(duì)纖維拉伸的擾動(dòng)影響的弊端，該專利沒有提出解決方法。另外，該專利也沒有就熱水牽伸箱是否適合聚丙烯腈纖維的熱水牽伸作出具體的說明。本專利即是基于以上問題提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中存在的熱水牽伸過程中，由于氣泡擾動(dòng)造成的毛絲多、斷絲多和纖維纏輥的問題，提供了一種聚丙烯腈纖維的熱水牽伸方法，該方法采用一種熱水牽伸槽具有減少槽內(nèi)氣泡對(duì)原絲的擾動(dòng)，提高槽內(nèi)溫度場的均勻性和消除纖維毛絲多，斷絲多、原絲纏輥現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:一種聚丙烯腈纖維的熱水牽伸方法，將聚丙烯腈基紡絲原液經(jīng)噴絲、凝固成形，然后進(jìn)行熱水牽伸；所述熱水牽伸采用熱水牽伸槽，所述熱水牽伸槽包括孔眼板1、至少兩個(gè)孔眼板支架2、主體槽體3、主體槽體的夾層填充物4、加熱介質(zhì)的出口 5、加熱盤管6和加熱介質(zhì)的進(jìn)口 7 ;其中傳動(dòng)輥位于熱水牽伸槽兩頭，加熱盤管6位于熱水牽伸槽底部，熱水液面下方是纖維，纖維下方孔眼板1，孔眼板I放在孔眼板支架2上；其中，孔眼板支架放置在主體槽體內(nèi)，孔眼板放置在孔眼板支架上，加熱介質(zhì)通過加熱介質(zhì)的進(jìn)口 7和加熱介質(zhì)的出口 5進(jìn)出加熱盤管6。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述加熱盤管6居中設(shè)置；所述加熱介質(zhì)的出口 5優(yōu)選為至少兩個(gè)，分別位于加熱盤管的兩端且靠近主體槽體3的兩側(cè)端壁；所述加熱介質(zhì)的進(jìn)口 7優(yōu)選為至少一個(gè)，位于加熱盤管中間。
[0011 ] 上述技術(shù)方案中，所述加熱介質(zhì)出口的數(shù)目進(jìn)一步優(yōu)選為2?6個(gè)。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述孔眼板支架的高度優(yōu)選為熱水液面與熱水牽伸槽底部距離的50%以上且小于熱水液面與熱水牽伸槽底部距離，更優(yōu)選為熱水液面與熱水牽伸槽底部距離的75%以上，進(jìn)一步優(yōu)選為熱水液面與熱水牽伸槽底部距離的75%?90%。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述孔眼板的長度不小于熱水牽伸槽內(nèi)長度的90%，進(jìn)一步優(yōu)選為熱水牽伸槽內(nèi)長度的75%?90% ;所述孔眼板的寬度不小于熱水牽伸槽內(nèi)寬度的90%，進(jìn)一步優(yōu)選為熱水牽伸槽內(nèi)寬度的75%?90%。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述孔眼板和纖維的豎直距離優(yōu)選為與纖維和熱水液面的豎直距離相當(dāng)，更優(yōu)選為與纖維和熱水液面的豎直距離相同；
[0015]上述技術(shù)方案中，所述孔眼板的孔密度不低于400目，更優(yōu)選為400目到800目。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述加熱介質(zhì)優(yōu)選為飽和水蒸氣，飽和水蒸氣的壓力優(yōu)選為不高于300KPa，更優(yōu)選為150KPa?300KPa ;熱油的溫度優(yōu)選為不高于110°C。
[0017]上述技術(shù)方案中，所述熱水牽伸在60°C?90°C的熱水中進(jìn)行，熱水牽伸更優(yōu)選為在90°C?98°C的熱水中進(jìn)行，熱水牽伸比優(yōu)化為I?5。
[0018]上述技術(shù)方案中，聚丙烯腈纖維的熱水牽伸方法，可以優(yōu)選為包括以下步驟:
[0019]經(jīng)過凝固或者水洗的初生纖維，采用熱水牽伸槽(采用附圖1、2所示結(jié)構(gòu)的熱水牽伸槽)，加熱介質(zhì)為壓力不高于300KPa的飽和水蒸汽，或者溫度不高于110°C的熱油，加熱介質(zhì)從槽底部中間的加熱盤管進(jìn)入，從槽底部的兩頭的加熱盤管流出，孔眼板孔密度不低于400目，熱水牽伸槽內(nèi)有熱水，熱水的溫度在60°C?90°C，熱水牽伸的溫度更優(yōu)選為90°C?98°C，熱水牽伸比優(yōu)選為I?5。
[0020]采用本發(fā)明的方案，可以保證熱水牽伸槽內(nèi)溫度場的均勻性，減少了熱水牽伸過程中熱水槽內(nèi)氣泡對(duì)纖維的擾動(dòng)，消除了熱水牽伸過程中的毛絲、斷絲和纖維纏輥的現(xiàn)象，經(jīng)過熱水牽伸后的聚丙烯腈初生纖維得到的聚丙烯腈碳纖維原絲，原絲纖度為0.6?
1.2dtex，單絲強(qiáng)度為5?8cN/dtex，原絲體密度為1.17?1.19，取得了較好的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的正視圖，圖中AA’為剖線；
[0022]圖2為圖1中本發(fā)明結(jié)構(gòu)沿剖線AA的剖視圖；
[0023]圖1中，I為孔眼板；2為至少兩個(gè)孔眼板支架；3為主體槽體；4為主體槽體的夾層填充物；4為加熱介質(zhì)的出口 ；6為加熱盤管；7為加熱介質(zhì)的進(jìn)口 ；加熱盤管6位于主體槽體3底部，孔眼板支架2置于主體槽體3內(nèi)用于支撐放置在其上面的孔眼板I。
[0024]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)施方式】
[0025]【實(shí)施例1】
[0026]1、原液制備:將經(jīng)蒸餾的丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)按比例97:3、固含量20%，偶氮二異丁腈(AIBN)占共聚單體的0.4wt%，以二甲基亞砜(DMSO)為溶劑加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在59°C的恒定溫度下反應(yīng)20小時(shí)，得到二元丙烯腈共聚物紡絲液。然后紡絲液經(jīng)減壓脫除殘余單體和氣泡后，經(jīng)過5 μ m過濾材料的過濾，得到丙烯腈共聚物紡絲原液。經(jīng)測試，分子量為80021，分子量分布為3.34，粘度在60°C下為75Pa.S。
[0027]2、凝固成型:紡絲原液經(jīng)過計(jì)量栗計(jì)量、再次經(jīng)過3 μπι過濾后，通過噴絲頭擠出后進(jìn)入第I道凝固浴，凝固浴溫度20°C，濃度為50%，牽伸比為-30%，第2道凝固浴為40 0C，濃度為40 %，牽伸比為100 %，第3道凝固浴為60 °C，濃度為30 %，牽伸比為105 %，得到初生纖維。
[0028]3、牽伸及水洗:
[0029]熱水牽伸槽尺寸:長300cm，寬35cm，高25cm，夾層厚度3cm ;孔眼板長270cm,