CN111893592A - 一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维 - Google Patents

一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维，主要采用的技术方案为：一种聚丙烯腈纤维的制备方法，其包括如下步骤：纺丝液经计量装置计量后通过喷丝板形成纺丝细流、纺丝细流经凝固成型处理后形成初生纤维、对初生纤维进行后处理，得到聚丙烯腈纤维；其中，在喷丝步骤中，满足如下条件：V1＝V2＝π×R2×v×N×λ；其中，V1为纺丝液的计量体积cc/min；V2为喷丝板喷出的纺丝液的体积cc/min；R为喷丝孔的半径mm；v为纺丝液的挤出速度m/min；N为喷丝板上的喷丝孔的数量；λ为系数因子，且λ为0.33‑0.50。本发明采用常规孔径的喷丝板及常规的牵伸倍数，就能实现细直径的聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维的制备。

Description

一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维
技术领域
本发明涉及一种纤维技术领域，特别是涉及一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维。
背景技术
聚丙烯腈基碳纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、抗烧蚀、耐腐蚀等优点，在航天、航空、海洋、建筑加固、储氢气瓶等尖端技术领域具有广泛应用。碳纤维的力学性能与纤维的表面缺陷、纤维直径等相关。其中，碳纤维的单丝直径越小，其缺陷尺寸就越小，且截面均匀性就越高，有利于提高碳纤维的拉伸强度。而碳纤维的单丝直径越大，不利于强度、模量等力学性能的提升。因此，碳纤维的直径差异是不同级别碳纤维的主要差异之一。
近年来，聚丙烯腈基碳纤维的直径一般在5～8μm。其中，T300和T700级碳纤维的直径约7μm，T800和T1000级碳纤维的直径约5μm。根据碳化过程的纤维体积收缩规律可以推算出原丝直径如下：生产T300和T700级碳纤维原丝的单丝直径大约在11～12μm之间；生产T800和T1000级碳纤维原丝的单丝直径大约在8～10μm之间。而单丝直径低于8μm的聚丙烯腈纤维原丝在研究和实际应用中都鲜有报道。
现有技术中，主要是通过匹配小孔径喷丝板和高倍多级牵伸等技术手段实现原丝的细径化；但是，该技术手段对原丝的生产设备要求高，使得生产设备复杂、成本高，不利于生产效率的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维，主要目的在于：采用常规孔径的喷丝板及常规的牵伸倍数，就能制备出细直径的聚丙烯腈纤维。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，其中，其包括如下步骤：
喷丝：纺丝液经计量装置计量后通过喷丝板形成纺丝细流；
凝固成型：所述纺丝细流经凝固成型处理后，形成初生纤维；
后处理：对所述初生纤维进行后处理，得到聚丙烯腈纤维；
其中，在所述喷丝步骤中，满足如下条件：
V1＝V2＝π×R2×v×N×λ；
其中，V1为所述纺丝液的计量体积cc/min；V2为所述喷丝板喷出的纺丝液的体积cc/min；R为喷丝孔的半径mm；v为所述纺丝液的挤出速度m/min；N为所述喷丝板上的喷丝孔的数量；λ为系数因子，且λ为0.33-0.50。
优选的，所述计量装置选用计量泵；和/或
所述纺丝液的计量体积由所述计量装置的规格和计量装置的转速确定，具体如下：V1＝Q×n；其中，V1为所述纺丝液的计量体积cc/min、Q为所述计量装置的规格cc/r、n为所述计量装置的转速r/min。
优选的，所述聚丙烯腈纤维的制备方法是采用湿法纺丝的工艺；优选的，所述纺丝液的挤出速度为15-25m/min；优选的，所述喷丝孔为圆形喷丝孔、所述喷丝孔的直径为0.55-0.70mm；优选的，所述喷丝板上的喷丝孔的数量为3K-24K。
优选的，所述喷丝板上装有多层第一滤网，以对纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；优选的，所述第一滤网为金属；优选的，所述金属滤网的目数为500-2000目。
优选的，在所述聚丙烯腈纤维的制备过程中，对纤维施加的总牵伸倍数为5-7倍；优选的，所述后处理的步骤包括：对所述初生纤维进行水洗、干燥致密化、牵伸、卷绕收取得到聚丙烯腈纤维；优选的，所述卷绕的速度为75-130m/min。
优选的，所述聚丙烯腈纤维的制备方法是采用干喷湿法纺丝的工艺；优选的，所述纺丝液的挤出速度为10.0-12.5m/min；优选的，所述喷丝孔为圆形喷丝孔、所述喷丝孔的直径为0.09-0.15mm；优选的，所述喷丝板上的喷丝孔的数量为1K-6K。
优选的，所述喷丝板上装有多层第二滤网，以对所述纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；优选的，所述第二滤网为金属滤网和/或高分子材料滤网；进一步优选的，所述金属滤网的目数为500-2000目；优选的，所述高分子材料滤网的精度为0.1-0.5μm。
优选的，在所述聚丙烯腈纤维的制备过程中，对纤维施加的总牵伸倍数为20-35倍；优选的，所述后处理的步骤包括：对所述初生纤维进行水洗、干燥致密化、牵伸、卷绕收取得到聚丙烯腈纤维；优选的，所述卷绕的速度为240-400m/min。
另一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈纤维，其中，所述聚丙烯腈纤维的直径为5.3-7.8μm；优选的，所述聚丙烯腈纤维由上述任一项所述的聚丙烯腈纤维的制备方法制备而成；优选的，若所述聚丙烯腈纤维的制备方法选用干喷湿法纺丝工艺，则所述聚丙烯腈纤维的单丝断裂强度为5.9-7.5cN/dtex、断裂伸长率为8.4-9.8％；优选的，若所述聚丙烯腈纤维的制备方法选用湿法纺丝工艺，则所述聚丙烯腈纤维的单丝断裂强度为4.8-6.5cN/dtex、断裂伸长率为10.1-12.8％。
再一方面，本发明的实施例提供的一种聚丙烯腈基碳纤维，其中，所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为3.2-4.8μm；优选的，所述聚丙烯腈基碳纤维是由上述的聚丙烯腈纤维制成。
与现有技术相比，本发明的聚丙烯腈纤维及其制备方法、聚丙烯腈基碳纤维至少具有下列有益效果：
本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法，通过使纺丝液在喷丝时满足如下条件：聚丙烯腈溶液的计量体积(cc/min)＝计量泵规格(cc/r)×转速(r/min)＝喷丝板喷出的聚丙烯腈溶液体积(cc/min)＝π×(喷丝孔半径mm)2×挤出速度(m/min)×喷丝孔数量×系数因子λ，系数因子λ为0.33-0.50；这样实质上是减少了每个喷丝孔喷出的纺丝液的体积量，从而来减弱纺丝液离开喷丝孔时的流体胀大效应(即，巴勒斯效应)，配以合适的牵伸倍率，制备得到细直径的聚丙烯腈纤维。由上述方法制成的聚丙烯腈纤维的单丝直径为5.3-7.8μm，且由该直径的聚丙烯腈纤维制成的聚丙烯腈基碳纤维的直径为3.2-4.8μm。因此，本发明实施例提供的聚丙烯腈纤维的制备方法，能在常规喷丝板孔径大小和常规牵伸倍数条件下实现了细直径聚丙烯腈纤维的制备，并且该制备方法的操作简单、设备简单，有利于降低细直径聚丙烯腈及聚丙烯腈基碳纤维的生产成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是实施例1所制备聚丙烯腈纤维的轴向结构的电镜图；
图2是实施例2所制备聚丙烯腈碳纤维的轴向结构的电镜图；
图3是对比例1所制备聚丙烯腈纤维的轴向结构的电镜图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
一方面，本发明实施例提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，主要目的是在于，采用常规孔径的喷丝板、常规的牵伸倍数，就能制备出细直径的聚丙烯腈纤维(聚丙烯腈纤维的单丝直径为5.3-7.8μm)。其包括如下步骤：
1)喷丝：纺丝液经计量泵计量后通过喷丝板形成纺丝细流。
2)凝固成型：所述纺丝细流经凝固成型处理后，形成初生纤维。
3)后处理：对所述初生纤维进行后处理(如，水洗、干燥致密化、牵伸等工序)，卷曲收取得到聚丙烯腈纤维。
其中，在喷丝步骤满足如下条件：
V1＝Q×n＝V2＝π×R2×v×N×λ；
其中，V1是纺丝液的计量体积，单位为cc/min；Q是计量泵规格，单位为cc/r；n是计量泵的转速，单位为r/min；V2是喷丝板喷出的纺丝液体积V2，单位为cc/min；R是喷丝孔的半径，单位是mm；v是挤出速度，单位为m/min；N是喷丝板上的喷丝孔数量；λ为系数因子，λ为0.33-0.50。
其中，在该步骤中：在经过计量泵的纺丝液计量体积一定的条件下，通过增加喷丝孔的数量来减少单个喷丝孔喷出的纺丝液的体积量，当聚丙烯腈流体(纺丝细流)离开喷丝孔时，流线收缩储存的能量使得流体胀大效应(巴勒斯效应)减弱，减小初生纤维的直径，进一步得到细直径的聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维。
本发明主要是对聚丙烯腈纤维制备过程中的喷丝步骤进行了改进，该改进之处操作方便，且设备简单，采用常规孔径大小的喷丝板、及常规牵倍就能实现细直径聚丙烯腈原丝的制备，有利于降低聚丙烯腈纤维及聚丙烯腈基碳纤维的生产成本。
较佳地，本申请的纺丝液为聚丙烯腈溶液(在此，聚丙烯腈溶液中的聚丙烯腈可以是均聚物，也可以是共聚物)，优选的，聚丙烯腈溶液的粘度为60-120Pa·s，重均分子量范围为14.6-16.8万。
另外，上述的聚丙烯腈纤维的制备方法可以采用湿法纺丝工艺(纺丝细流直接进入凝固浴中进行凝固成型)，也可以采用干喷湿法纺丝工艺(纺丝细流通过干段空气层进入凝固浴中进行凝固成型)。
其中，若采用湿法纺丝工艺：在喷丝过程中，纺丝液的挤出速度为15-25m/min；喷丝孔为圆形喷丝孔、喷丝孔的直径为0.55-0.70mm；喷丝板上的喷丝孔的数量为3K-24K。较佳地，喷丝板上装有多层(优选1-3层)第一滤网，以对纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；第一滤网的材质为金属；第一滤网的目数为500-2000目(一方面，滤网可以过滤除去纺丝液的杂质和凝胶；另一方面，喷丝板上的每个喷丝孔吐出纺丝液的体积量减少后，喷丝板的纺丝压力会变小，增加滤网后能够提高纺丝压力，使纺丝液混合、分配更均匀)。较佳地，在聚丙烯腈纤维的制备过程中，总牵伸倍数为5-7倍。较佳地，卷绕的速度为75-130m/min。
其中，若采用干喷湿法纺丝工艺：在喷丝过程中，纺丝液的挤出速度为10.0-12.5m/min；喷丝孔为圆形喷丝孔、喷丝孔的直径为0.09-0.15mm；喷丝板上的喷丝孔的数量为1K-6K。较佳地，喷丝板上装有多层(优选1-3层)第二滤网，以对纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；第二滤网为金属滤网(金属滤网目数为500-2000目)和/或高分子材料滤膜(PP或PA，精度为0.1-0.5μm)，也即，第二滤网为多个时，可以全部采用金属滤网，或者全部采用高分子材料滤膜，或者是一部分采用金属滤网，一部分采用高分子材料滤膜(在此，一方面，滤网可以过滤除去纺丝液的杂质和凝胶；另一方面，喷丝板上的每个喷丝孔吐出纺丝液的体积量减少后，喷丝板的纺丝压力会变小，增加滤网后能够提高纺丝压力，使纺丝液混合、分配更均匀)。较佳地，在聚丙烯腈纤维的制备过程中，总牵伸倍数为20-35倍。较佳地，卷绕的速度为240-400m/min。
另外，对上述方法制备的聚丙烯腈纤维进行预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈基碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，温度范围为200-260℃，停留时间为50-80min，优选60min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，温度范围为300-800℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，温度范围为1100-1400℃。
下面通过具体实验实施例进一步说明如下：
实施例1
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为66Pa·s、重均分子量为14.93万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.060mm的3K喷丝板，形成的纺丝细流直接进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为3cc/r，计量泵的转速为15.0796r/min，纺丝液的计量体积为45.2389cc/min，纺丝液的挤出速度为16m/min，系数因子λ为1/3＝0.3333...。另外，喷丝板前装有1层金属滤网，金属滤网目数为1800目，喷丝板的纺丝压力为0.90±0.03MPa。
采用60℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中的残留溶剂，水洗停留时间为2min。采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的温度梯度为100℃、105℃、105℃、110℃、110℃、115℃、115℃、125℃、125℃、130℃；每级干燥时间为8s)；然后分别在90℃沸水和0.16MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，对纤维施加的总牵伸倍数为5.2倍，卷绕的速度为83.20m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为6.63μm，其单丝断裂强度为5.71cN/dtex，断裂伸长率为10.44％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为60min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、450℃、570℃、650℃、730℃、800℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1100℃、1250℃和1320℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为3.96μm，其拉伸强度为3.78GPa，拉伸模量为240GPa。
实施例2
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为90Pa·s、重均分子量范围为16.11万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.065mm的6K喷丝板，形成的纺丝细流直接进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为8cc/r，计量泵的转速为22.8134r/min，纺丝液的计量体积为182.5069cc/min，纺丝液的挤出速度为22m/min，系数因子λ为5/12＝0.41666...。另外，喷丝板前装有1层金属滤网，金属滤网目数为1500目，喷丝板的纺丝压力为1.53±0.03MPa。
采用60℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中的残留溶剂，水洗停留时间为1.5min；采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的梯度为100℃、105℃、105℃、110℃、110℃、115℃、115℃、125℃、125℃、130℃；每级干燥时间为6s)；然后分别在90℃沸水和0.26MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为5.63倍，卷曲速度为123.86m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为7.64μm，其单丝断裂强度为5.98cN/dtex，断裂伸长率为11.22％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为65min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、430℃、550℃、630℃、710℃、780℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1200℃、1250℃和1330℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为4.43μm，其拉伸强度为5.25GPa，拉伸模量为250GPa。
实施例3
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为90Pa·s、重均分子量范围为16.11万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.055mm的12K喷丝板，形成的纺丝细流直接进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为8cc/r，计量泵的转速为26.7281r/min，纺丝液的计量体积为213.8246cc/min，纺丝液的挤出速度为15m/min，系数因子λ为0.50。另外，喷丝板前装有2层金属滤网，第一层金属滤网的目数为1000目，第二层金属滤网的目数为500目，喷丝板的纺丝压力为1.28±0.04MPa。
采用60℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中残留的溶剂，水洗停留时间为1.8min；采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的梯度为100℃、105℃、105℃、110℃、110℃、115℃、115℃、125℃、125℃、130℃；每级干燥时间为7.2s)；然后分别在90℃沸水和0.29MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为6.1倍，卷曲速度为91.50m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维单丝直径为6.75μm，其单丝断裂强度为5.63cN/dtex，断裂伸长率为12.34％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为60min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、450℃、550℃、650℃、700℃、760℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1200℃、1300℃和1380℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为3.84μm，其拉伸强度为5.73GPa，拉伸模量为301GPa。
实施例4
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为90Pa·s、重均分子量范围为16.11万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.12mm的3K喷丝板，形成的纺丝细流通过干段空气层进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为5cc/r，计量泵的转速为27.1434r/min，纺丝液的计量体积为135.7168cc/min，纺丝液的挤出速度为12m/min，系数因子λ为1/3＝0.333...。另外，喷丝板前装有1层金属滤网和1层高分子PP滤网，金属滤网目数为500目，高分子PP滤网精度为0.5μm，喷丝板的纺丝压力为1.41±0.03MPa。
采用55℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中的残留溶剂，水洗停留时间为1min；采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的梯度为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃；每级干燥时间为1.6s)；然后分别在70℃热水和0.32MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为22倍，卷曲速度为264m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为6.29μm，其单丝断裂强度为6.46cN/dtex，断裂伸长率为9.26％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为65min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、430℃、550℃、630℃、740℃、800℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1200℃、1260℃和1330℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为3.95μm，其拉伸强度为5.28GPa，拉伸模量为250GPa。
实施例5
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为90Pa·s、重均分子量范围为16.11万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.12mm的4K喷丝板，形成的纺丝细流通过干段空气层进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为10cc/r，计量泵的转速为22.6195r/min，纺丝液的计量体积为226.1947cc/min，纺丝液的挤出速度为10m/min，系数因子λ为0.5。另外，喷丝板前装有1层金属滤网和1层高分子PP滤网，金属滤网目数为500目，高分子PP滤网精度为0.5μm，喷丝板的纺丝压力为1.76±0.03MPa。
采用55℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中的残留溶剂，水洗停留时间为1min；采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的梯度为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃；每级干燥时间为1.6s)；然后分别在70℃热水和0.36MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为32.64倍，卷曲速度为326.4m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为6.42μm，其单丝断裂强度为7.20cN/dtex，断裂伸长率为8.79％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为60min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、450℃、550℃、650℃、710℃、780℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1200℃、1300℃和1380℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为3.85μm，其拉伸强度为5.66GPa，拉伸模量为298GPa。
对比例1
对比例1制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为66Pa·s、重均分子量范围为14.93万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.060mm的1K喷丝板，形成的纺丝细流直接进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为3cc/r，计量泵的转速为15.0796r/min，纺丝液的计量体积为45.2389cc/min，纺丝液的挤出速度为16m/min，系数因子λ为1。另外，喷丝板前装有1层金属滤网，金属滤网目数为1800目，喷丝板的纺丝压力为1.15±0.04MPa。
采用60℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中残留的溶剂，水洗停留时间为2min；采用8级电加热热辊在条件下对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的温度梯度为100℃、105℃、105℃、110℃、110℃、115℃、120℃、125℃；每级干燥时间为8s)；然后分别在90℃沸水和0.16MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为5.2，卷曲速度为83.20m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为12.16μm，其单丝断裂强度为5.87cN/dtex，断裂伸长率为11.28％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为60min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、450℃、570℃、650℃、730℃、800℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1100℃、1250℃和1320℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为6.86μm，其拉伸强度为3.83GPa，拉伸模量为235GPa。
对比例2
本实施例制备一种聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维，具体步骤如下：
粘度为90Pa·s、重均分子量范围为16.11万的聚丙烯腈溶液(纺丝液)经计量泵计量后通过直径为0.12mm的1K喷丝板，形成的纺丝细流通过干段空气层进入凝固浴中，凝固成型为初生纤维。其中，计量泵的规格为5cc/r，计量泵的转速为27.1434r/min，纺丝液的计量体积为135.7168cc/min，纺丝液的挤出速度为12m/min，系数因子λ为1。另外，喷丝板前装有1层金属滤网和1层高分子PP滤网，金属滤网目数为500目，高分子PP滤网精度为0.5μm，喷丝板的纺丝压力为1.63±0.03MPa。
采用55℃的流动水浴对初生纤维进行洗涤，以去除初生纤维中的残留溶剂，水洗停留时间为1min；采用10级电加热热辊对纤维进行干燥致密化处理(其中，干燥致密化的梯度为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃、140℃；每级干燥时间为1.6s)；然后分别在70℃热水和0.32MPa饱和水蒸汽中对纤维进行牵伸处理，卷绕收取得到聚丙烯腈纤维。其中，总牵伸倍数为22倍，卷曲速度为264m/min。
其中，得到的聚丙烯腈纤维的单丝直径为10.89μm，其单丝断裂强度为6.96cN/dtex，断裂伸长率为8.68％。
将上述所得聚丙烯腈纤维经预氧化、低温碳化和高温碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维。其中预氧化处理在空气气氛下进行，预氧化起始温度为210℃，终止温度为260℃，相邻温度梯度之间的温差为10℃，停留时间为65min；低温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为350℃、430℃、550℃、630℃、710℃、780℃；高温碳化处理在氮气气氛下进行，各温区温度分别为1200℃、1250℃和1330℃。
其中，得到的聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为6.88μm，其拉伸强度为5.35GPa，拉伸模量为250GPa。
通过上述实施例1-5、比较例1-2所制备的聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈基碳纤维的表征数据(单丝直径数据)、以及图1、图2和图3，可以明显看出：本发明实施例提供的聚丙烯腈的制备方法能制备出细直径的聚丙烯腈纤维，进而由该聚丙烯腈纤维能制备出细直径的聚丙烯腈基碳纤维。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
喷丝：纺丝液经计量装置计量后通过喷丝板形成纺丝细流；
凝固成型：所述纺丝细流经凝固成型处理后，形成初生纤维；
后处理：对所述初生纤维进行后处理，得到聚丙烯腈纤维；
其中，在所述喷丝步骤中，满足如下条件：
V1＝V2＝π×R2×v×N×λ；
其中，V1为所述纺丝液的计量体积cc/min；V2为所述喷丝板喷出的纺丝液的体积cc/min；R为喷丝孔的半径mm；v为所述纺丝液的挤出速度m/min；N为所述喷丝板上的喷丝孔的数量；λ为系数因子，且λ为0.33-0.50。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，
所述计量装置选用计量泵；和/或
所述纺丝液的计量体积与所述计量装置的规格、计量装置的转速相关，具体如下：V1＝Q×n；其中，V1为所述纺丝液的计量体积cc/min、Q为所述计量装置的规格cc/r、n为所述计量装置的转速r/min。
3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维的制备方法是采用湿法纺丝的工艺；
优选的，所述纺丝液的挤出速度为15-25m/min；
优选的，所述喷丝孔为圆形喷丝孔、所述喷丝孔的直径为0.55-0.70mm；
优选的，所述喷丝板上的喷丝孔的数量为3K-24K。
4.根据权利要求3所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，
所述喷丝板上装有多层第一滤网，以对纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；
优选的，所述第一滤网为金属滤网；进一步优选的，所述金属滤网的目数为500-2000目。
5.根据权利要求3所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，
在所述聚丙烯腈纤维的制备过程中，对纤维施加的总牵伸倍数为5-7倍；和/或
所述后处理的步骤包括：对所述初生纤维进行水洗、干燥致密化、牵伸、卷绕收取得到聚丙烯腈纤维；优选的，所述卷绕的速度为75-130m/min。
6.根据权利要求1或2所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维的制备方法是采用干喷湿法纺丝的工艺；
优选的，所述纺丝液的挤出速度为10.0-12.5m/min；
优选的，所述喷丝孔为圆形喷丝孔、所述喷丝孔的直径为0.09-0.15mm；
优选的，所述喷丝板上的喷丝孔的数量为1K-6K。
7.根据权利要求6所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，所述喷丝板上装有多层第二滤网，以对所述纺丝液进行过滤、并提高喷丝板的纺丝压力；
优选的，所述第二滤网选用金属滤网和/或高分子材料滤网；优选的，所述金属滤网的目数为500-2000目；优选的，所述高分子材料滤网的精度为0.1-0.5μm。
8.根据权利要求6所述的聚丙烯腈纤维的制备方法，其特征在于，
在所述聚丙烯腈纤维的制备过程中，对纤维施加的总牵伸倍数为20-35倍；和/或
所述后处理的步骤包括：对所述初生纤维进行水洗、干燥致密化、牵伸、卷绕收取得到聚丙烯腈纤维；优选的，所述卷绕的速度为240-400m/min。
9.一种聚丙烯腈纤维，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维的单丝直径为5.3-7.8μm；
优选的，所述聚丙烯腈纤维由权利要求1-8任一项所述的聚丙烯腈纤维的制备方法制备而成；
优选的，若所述聚丙烯腈纤维的制备方法选用干喷湿法纺丝工艺，则所述聚丙烯腈纤维的单丝断裂强度为5.9-7.5cN/dtex、断裂伸长率为8.4-9.8％；
优选的，若所述聚丙烯腈纤维的制备方法选用湿法纺丝工艺，则所述聚丙烯腈纤维的单丝断裂强度为4.8-6.5cN/dtex、断裂伸长率为10.1-12.8％。
10.一种聚丙烯腈基碳纤维，其特征在于，所述聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为3.2-4.8μm；
优选的，所述聚丙烯腈基碳纤维是由权利要求9所述的聚丙烯腈纤维制成。
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