浅谈PAN基碳纤维原丝的纺丝工艺

浅谈PAN基碳纤维原丝的纺丝工艺
作者：赵可赵武勇王培
来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第04期
摘要：本文简要介绍了现阶段聚丙烯腈基碳纤维原丝的几种制备工艺，对纺丝过程中影响原丝质量的相关工艺参数进行了探讨，并指出目前我国碳纤维产业的重中之重是提高PAN 原丝的生产质量。

关键词：PAN原丝；制备工艺；纺丝工艺控制；原丝质量
聚丙烯腈基碳纤维（以下简称PAN基碳纤维）于20世纪60年代迅速走进人们的视野，它既具有碳纤维的固有性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，比铝轻，比钢硬，比重是铁的
1/4，强度是铁的10倍，因其十分优异的力学性能，目前已成为世界范围内炙手可热的新型材料。

经过多年的发展，PAN基碳纤维的原料制备工艺实现了工业化。

它的生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都较简单，碳化收率可达45%以上，成本低，原料来源丰富，是目前应用领域最广，产量也最大的一种碳纤维。

制备PAN基碳纤维的生产流程大致如下：丙烷→丙烯腈→聚丙烯腈→纺丝→PAN原丝→预氧化→炭化→表面处理→碳纤维→收丝、包装→碳纤维成品。

本文主要探讨由PAN纺丝原液经过湿法纺丝或干喷湿纺等纺丝工艺后得到PAN原丝的过程。

在目前的工业生产中，PAN 基碳纤维纺主要采用干法、湿法和干湿法来制备原丝。

1 PAN原丝的制备工艺
①干法。

干法纺丝是将高聚物在溶剂中配成纺丝原液后，经喷丝头形成细流，溶剂被纺丝甬道中热空气挥发带走的同时，使得高聚物浓缩和固化成初生纤维的方法。

此方法操作简单，溶剂回收率大。

②湿法。

湿法纺丝是将纺丝原液经过滤、脱泡，通过计量泵从喷丝头挤出，在凝固浴的作用下，粘液细流内的溶剂扩散以及凝固剂像粘液细流中渗透，经过适当的喷丝头拉伸形成初生纤维的方法。

该技术较为成熟，是目前PAN基碳纤维原丝生产中应用最广的纺丝工艺。

③干湿法。

干湿法，又名干喷湿纺，结合了干法和湿法的优势，在操作流程方面与湿法很相似。

纺丝液经喷丝孔喷出后不立即进入凝固浴，而是先经过空气层（亦叫干段或干层），再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。

如果说成纤是一物理过程，则在空气层发生的物理变化有利于形成致密化和均质化的丝条，纤维成品的质量也可以得到保证，在强度和其他性能等方面要远远超出干法或湿法纺丝。

目前，用湿法和干喷湿纺都可以生产出优质PAN基碳纤维原丝，但干湿法工艺纺出的原丝质量更高。

2 纺丝工艺控制
质量过关的原丝是产业化的前提，是稳定生产的基础。

原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约着其生产成本。

因而找出影响纺丝的因素，控制好以下几点纺丝工艺对生产出高纯化、高强化、致密化以及表面光洁无暇的高性能碳纤维原丝是十分重要的。

①凝固浴。

凝固浴的浓度降低或温度增高，可使双扩散过程和凝固速度加快。

导致初生纤维的结构不均一，纤维内部易形成孔洞，拉伸时易因断裂产生毛丝，从而影响成品原丝质量。

反之，则有利于生产出缺陷少、抗拉伸、高质量的原丝。

但凝固浴浓度太高或温度太低时，纤维会因其表面凝固不良而形成并丝，使其品质下降。

因此必须合理控制凝固浴的浓度和温度，使其在一定范围内互相调节。

②水洗。

水洗是将原丝上的DMSO尽可能的洗净，使其含量控制在0.1%以下的过程。

影响水洗的主要因素是温度和用水量。

水温不宜过高，一般控制在50℃。

随着用水量的增加，洗净效果变好，但水量过大会导致凝固浴无法平衡影响成形。

因此该过程中的用水量也要进行合理控制。

③上油。

上油让原丝柔和平滑，增加集束性，有着防止纤维因摩擦产生静电的作用。

选择合适的油剂种类，并使其在纤维上的附着量控制在0.1%～0.5%范围内为最佳效果。

④干燥。

此过程的温度越高、速度越快，越有利于原丝驱除水分和结构致密化。

但温度太高、时间太长时，原丝会发黄变脆，品质下降。

工业生产一般会控制温度在100～150℃。

⑤拉伸。

原丝的拉伸效果直接影响着原丝的产量和质量。

在一定的拉伸倍数以内，碳纤维的抗拉强度和抗拉模量随着原丝拉伸倍数的提高而提高。

但过度的拉伸会使纤维内部产生许多缺陷，导致原丝的品质下降。

3 结语
世界上碳纤维生产厂家都把PAN原丝生产技术作为生产碳纤维的绝密技术。

国内也正是因为PAN原丝生产技术落后，使碳纤维在质量和产量上均与国外水平相差甚远。

在工业生产上，我国90%以上仍依赖于购买成套的国外进口纺丝设备，这极大地制约了碳纤维产业的发展。

目前，碳纤维产业正处于上升期，为提高原丝质量，我国学者大多把研究重点放在原丝改性或工艺路线方面，制备技术也一直处于不断地研究中。

这样稳抓稳打，我国的PAN原丝及碳纤维生产定会蓬勃发展，勇追世界先进水平。

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作者简介：
赵可（1991- ）女，浙江宁波人，学历：本科，研究方向：化工工艺。