CN102691135B - 一种沥青基碳纤维短丝的制取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法，包括以下步骤：螺杆熔融、过滤、计量、模头熔喷纺丝、热风切断、负压吸附成网、预氧化、松弛碳化。本发明由于直接采用沥青切片熔喷纺丝，纺丝后直接切断，形成纤维毡，再进行预氧化、碳化处理，因而具有工艺流程短、产量高、设备及厂房配套设施的投资成本低的特点。在整个生产过程中，没有废水、废气、废渣等影响环境的污染源产生，同时，由于采用了多项节能措施，设备运行成本减低，因此产品价格低廉，在国内外具有很强的竞争力。

Description

一种沥青基碳纤维短丝的制取方法

所属技术领域：

本发明涉及一种以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法，主要由螺杆熔融、过滤、计量、模头熔喷纺丝、热风切断、负压吸附成网、预氧化、松弛碳化等工序组成，属于高分子材料的制取方法。

背景技术：

碳纤维是指含碳量在90％以上的纤维。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热传导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性。碳纤维的原丝有三种：即腈纶原丝、沥青原丝和粘胶原丝。使用沥青原丝碳化而成的纤维称为沥青基碳纤维。碳纤维一般都是长丝卷绕成饼状的成品，随着碳纤维下游市场的发展，需要碳纤维短丝作为填料添加到聚四氟乙烯等工程材料中，以提高制品耐磨性，使其在常温或高温下均具有良好的抗蠕变性能，获得较好的增强效果。通常直接用碳纤维长丝切断成为短丝。这种方法存在一个缺点：设备产量低，造成碳纤维短丝的价格高，因为长丝通常采用湿法纺丝，流程长，速度低，每束丝束在牵伸、预氧化、碳化时都要单独分开，不得加捻。而市场上所需要的短丝在品质、纤维形态方面并没有这么高的要求。

发明内容：

本发明提供一种产量高、流程短、投资少，产品价格便宜的以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法。该方法采用熔喷熔融纺丝，纺丝后直接切断，形成纤维毡，再进行预氧化、碳化处理，因此大大缩短了短纤维制取的流程，同时提高了生产线的产量。

本发明是这样实现的：以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取是通过以下工序实现的：

a.螺杆熔融

沥青切片均匀喂入到螺杆后，在螺杆挤压机内加热熔化成液态熔体，并将熔体内的少量气泡排出，然后经充分混炼、计量，熔体压力升高到4～6MPa，送入插板式过滤器。

b.过滤

采用插板式过滤器，可以在线切换，过滤精度10～80μm，过滤材料为金属滤网，过滤器***设置电加热板保温。

c.计量

通过计量泵精确计量，以保证纤维的纤度CV值(条干不匀率)，同时使计量后的熔体压力升高到符合纺丝组件要求的范围

d.模头熔喷纺丝

纺丝采用单衣架模头熔喷纺丝法，经计量后的熔体送入到纺丝模头，单衣架纺丝模头的作用是将熔体均匀分配到细长(长宽比值约50∶1到100∶1)的纺丝组件内，并确保在整个幅宽范围内的任意喷丝孔的压力一致。从纺丝组件喷丝后形成幅宽0.5～3.0m丝束帘。

e.热风切断

在喷丝板的下方设置热风切断装置，目的是将尚未完全凝固的长纤维切断成一定长度的短纤维。两股高压热风以一定角度同向夹持丝束，对纤维进行拉伸，当纤维受到的拉伸力大于喷丝板出口处纤维的强度时，纤维就被拉断成短纤维。

f.负压吸附成网

短纤维经热风切断后掉入到预氧化机的网链上。由于沥青基碳纤维短丝比重小，纤维易到处飞散，因此在网链的下方设置负压吸附装置，吸附装置的吸风口设置锥形分配室，吸风管与锥形分配室相连。吸风管上均匀开设吸风小孔。吸风时在网链上方形成一定速度的气流，气流夹带短纤维流向网链，在网链上堆积成一定厚度的纤维毡。

g.预氧化

采用层叠式预氧化机，一般设置2～5层。向预氧化机内通入热空气(空气是氧气和氮气的混合物)，纤维在热空气的作用下被加热，氧原子渗透并扩散到到纤维芯部，并与沥青分子结合，从而提高纤维的熔点，以便后一步工序碳化的进行。由于氧分子的扩散速度较慢，预氧化时间较长，因此预氧化机设置成2～5层，以减小设备长度，降低厂房投资成本。

h.松弛碳化

碳化的目的是使纤维中的碳形成均匀的石墨化晶体结构，提高纤维的强度和模量。碳化是在1000℃以上，并在松弛状态下进行的。为了使纤维高温碳化时不被氧化，设备内通入氮气进行保护。碳化炉分区实行温度阶梯控制，最高温度1200℃。

应用本发明方法，在制取以沥青切片为原料的碳纤维短丝过程中，具有以下优点：

1.工艺流程短，投资少。由于直接采用沥青切片熔喷纺丝，大大缩短了工艺流程，减小了设备及厂房配套设施的投资成本，而沥青切片的原料目前市场上供应充足。

2.设备运行成本低，环保节能，无环境污染。在整个生产过程中，没有废水、废气、废渣等影响环境的污染产生，同时，由于采用了多项节能措施，能耗大为降低。如：采用层叠式预氧化机，设备的散热面积只有普通预氧化机的三分之一；风切装置采用高压气流，降低了热空气的用量。

3.成品价格低。采用该发明制取的碳纤维短丝价格，与采用碳纤维长丝切断相比，仅后者产品价格的三分之一，具有很大的价格优势。

附图说明：

图1是本发明实施例的工艺流程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示的以沥青切片为原料制取碳纤维短丝的工艺方法包括以下步骤：

1.切片的熔融

沥青切片通过送料装置均匀喂入到螺杆进料口，在螺杆挤压机内加热熔化成液态熔体。螺杆中部设置排气口，排气口前方设置阻尼环，原料中单体和杂质所产生的气泡通过正压脱泡的方法从排气口排出。螺杆转速由过滤器后方的压力传感器控制，5～80r/min，排气后的熔体经充分混炼、计量，熔体压力升高到2～20MPa，然后送入插板式过滤器。螺杆的套筒***分多区电加热，温度控制在250～350℃。

2.熔体的过滤

采用插板式过滤器，可以在线切换，虑前压力由螺杆控制，并通过电气控制***设定，虑后压力随着滤网的使用时间增长而升高，当滤网前后压差达到2～5MPa时，过滤器需进行切换。过滤精度10～80μm，过滤材料为不锈钢金属网，过滤器***设置电加热板保温，维持温度在250℃～350℃。

3.熔体的计量

通过耐高温齿轮计量泵进行计量，为了保证纤维的纤度CV值(条干不匀率)不大于5％，齿轮计量泵计量精度要不大于3％。计量泵采用同步电机变频驱动，计量泵后面的管路上设置压力传感器，该压力信号用来控制计量泵的转速，使纺丝组件的纺丝压力稳定在1～20MPa，波动值小于5％。计量泵***设置电加热板保温，维持温度在250℃～350℃。

4.熔体的模头熔喷纺丝

纺丝采用单衣架熔喷模头纺丝，经计量后的熔体送入到纺丝模头，模头为长方体锻件，剖分为2个半块，分型面上的熔腔为单衣架形状，熔腔的形状要根据流体等截面等流速的原理进行精确计算，使模头狭缝出口的熔体流速一致。模头四周安装电加热管，用于模头的保温，模头温度维持在250℃～350℃，模头***设置保温层和温度传感器。纺丝组件安装在模头的正下方，上口与模头的狭缝相连。组件内设置分配板、金属滤网，滤网为80～500目。喷丝孔直径为Φ0.5～5mm，长径比1∶2～1∶15，组件压力要保持在1～20MPa。组件材料为耐热不锈钢，模头材料为耐热合金钢。从纺丝组件喷丝后形成幅宽0.5～3.0m纤维丝束帘。

5.长丝的热风切断

采用热风拉伸的方法进行切断，从喷丝板喷出的丝束尚未完全凝固，强力较差，丝束在热风的夹持下不断拉伸，当纤维受到的拉伸力大于喷丝板出口处纤维的强度时，纤维就被拉断成短纤维。左右两组热风的吹风角度是可以调节的，调整吹风角度，热风夹持丝束的力会变化，从而造成丝束切断的长度不一样。为了节约热风使用量，要将吹风嘴缝隙调到尽量小，而风压尽可能高。采用2级或3级高压罗茨风机，风压达到0.01～0.20MPa，风温控制在250℃～350℃。

6.短纤维的负压吸附成网

采用负压吸附成网的原理。短纤维经热风切断后掉入到预氧化机的网链上。为了使纤维不会到处飞散，因此在网链的下方设置负压吸附装置，吸附装置的吸风口设置锥形分配室，吸风管与锥形分配室相连。吸风管上均匀开设吸风小孔，风机连续对网链进行吸风，使网链上方形成一定速度的稳定气流，气流夹带短纤维落在网链上形成一定厚度的纤维毡。吸风速度要均匀，否则会造成纤维毡厚薄不一致。网链处吸风速度控制在2～30m/s，太大会增加能耗，太小影响短纤维的吸附效果。

7.纤维的预氧化

预氧化的目的是为了提高纤维的熔点和强力，以便后一步工序碳化的进行，通过向预氧化机内通入氧气和氮气的混合物(即热空气)，纤维在热空气的作用下被加热，氧原子渗透并扩散到到纤维芯部，并与沥青分子结合。由于氧分子的扩散速度较慢，预氧化时间较长，应不小于180分钟，因此要采用层叠式预氧化机，一般设置2～5层。风盒的高度尺寸控制在500mm以内，否则预氧化机太高，影响厂房的投资成本，同时操作会很不方便。喷风口风速为2～20m/min，风速均匀性不大于10％，预氧化要分区控制温度和氧气量。温度从160℃～350℃阶梯设置，供氧量依次减少。网链速度为0.5～5m/min，预氧化机的保温层不小于150mm，确保保温层表面温度与环境温度差不大于25℃，因为该设备散热面积较大，保温效果差时能耗很大，影响设备运行成本。

8.纤维的松弛碳化

为了提高纤维的强度和模量，使纤维中的碳形成均匀的石墨化晶体结构，必须对纤维进行碳化。碳化温度在1000℃以上，碳纤维短丝要求对纤维进行松弛状态下的碳化。因此炉体内设置耐高温不锈钢网链，同时为了使纤维高温碳化时不被氧化，设备内通入氮气进行保护。碳化炉分区实行温度阶梯控制，最高温度1200℃，炉胆材质为碳硅板，两层耐火砖隔热层，上面铺针刺毯，顶部为硅酸铝纤维毡。

Claims (1)

1.一种以沥青切片为原料生产碳纤维短丝的制取方法，主要由螺杆熔融、过滤、计量、模头熔喷纺丝、热风切断、负压吸附成网、预氧化、松弛碳化工序组成，其特征在于：将沥青切片经一系列工序在一组设备上一步成形，生产出沥青基碳纤维的方法，包括：

a.螺杆熔融

螺杆中部设置排气口，排气口前方设置阻尼环，切片在螺杆挤压机内加热融化成液态熔体，并排出熔体内的少量气泡，然后经充分混炼、计量，熔体压力升高到4—6Mpa，螺杆转速由过滤器后方的压力传感器控制，在5—80r/min.内，螺杆出料熔体压力为1—15Mpa，螺杆的套筒***分多区电加热，温度控制在250--350℃；

b.过滤

采用插板式过滤器，可以在线切换，过滤器 滤前压力由螺杆的转速控制，并通过电气控制***设定，过滤器的过滤精度为10--80μm，过滤材料为不锈钢金属滤网，过滤器***设置电加热板保温，维持温度在250℃--350℃；

c.计量

通过耐高温齿轮计量泵进行计量，计量泵采用同步电机变频驱动，计量泵后面的熔体管路上设置压力传感器，齿轮计量泵计量精度不大于3%，泵后压力稳定在1—20Mpa，波动值不大于5%，计量泵***设置电加热板保温，维持温度在250℃--350℃；

d.模头熔喷纺丝

采用单衣架模头熔喷纺丝，纺丝模头为长方体锻件，剖分为2个半块，分型面上的熔腔为单衣架形状，模头四周安装电加热管，模头***设置保温层和温度传感器，纺丝组件安装在模头的正下方，上口与模头的狭缝相连，组件 内设置分配板、金属滤网，模头温度控制在250--350℃，组件滤网为80—500目，喷丝孔直径为—5mm，长径比为1:2—1:15，组件压力为1—20Mpa，组件材料为耐热不锈钢，模头材料为耐热合金钢；

e.热风切断

采用热风拉伸的方法进行切断，左右两组热风的吹风角度是可调的，调整吹风角度，可以改变热风夹持丝束的力，热风采用2级或3级高压罗茨风机加压，热风切断的循环风机采用2级或3级高压罗茨风机，风压达到0.01---0.20Mpa以上，风温控制在250℃--350℃；

f.负压吸附成网

采用负压吸附成网，负压吸附装置设置在网链的下方，吸附装置的吸风口设置锥形分配室，吸风管与锥形分配室相连，吸风管上均匀开设吸风小孔，网链吸风速度为5—30m/min.；

g.预氧化

采用层叠式预氧化机，一般设置2—5层或更多层，薄型风盒的高度尺寸小于500mm，预氧化过程分区控制温度和供氧量，预氧化时间不少于180分钟，网链速度0.5—5m/min.，薄型风盒的喷风口风速为2—20m/min.，风速均匀性不大于10%，预氧化分区控制温度和供氧量，温度从160℃--350℃阶梯设置，供氧量依次减少，预氧化机的保温层不小于150mm，保温层表面温度与环境温度差不大于25℃；

h.松弛碳化

采用纤维松弛碳化，炉体内设置耐高温不锈钢网链，碳化炉分区实行温度阶梯控制，设备内通入氮气进行保护，碳化温度在1000℃以上，炉胆材质为碳硅板，炉膛两层耐火砖隔热层，上面铺针刺毯，顶部为硅酸铝纤维毡。 

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