聚丙烯腈纤维的热水牵伸方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种聚丙烯腈纤维的热水牵伸方法，具体来说是一种采用新型结构热水牵伸槽进行聚丙烯腈纤维的热水牵伸的方法。
【背景技术】
[0002]PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。
[0003]聚丙烯腈原丝的制备涉及原液的制备和原液的纺丝两个大过程，其中原液的制备包括聚合，脱单和脱泡三道道工序，原液的纺丝包括原液的过滤、计量、凝固、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化蒸汽牵伸、热定型和卷绕等十几道工序。如上所述，原丝的制备用到的牵伸工艺有热水牵伸和饱和水蒸汽牵伸，牵伸工序是实现原丝细旦化和高强化的必然选择。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。生产优质PAN原丝对纺丝设备和工艺提出了很高的要求，尤其是对工艺参数的要求尤其严苛。
[0004]热水是实现聚丙烯腈原丝热水牵伸的重要介质，其主要是原丝在温度接近沸水的的热水里面实现高倍牵伸的工序。传统的热水牵伸槽，加热盘管位于牵伸槽的底部，孔眼板与盘管几乎接触，位于盘管的正上部，加热介质为6公斤及以上的饱和蒸汽。这样的结构，使得盘管和水的换热剧烈，致使盘管表面急剧形成气泡，气泡通过孔眼板的孔眼和孔眼板两侧的空隙，扩散至原丝附近，引起原丝产生毛丝、断丝和缠辊现象，影响正常纺丝。
[0005]传统湿法纺丝生产PAN原丝的过程中，所用的凝固浴槽主要由主体槽体、分配板和溢流板组成，其中溢流板为实心无孔钢板。该种结构的凝固浴槽，在凝固液循环的过程中，上层流体更新的速度快，中层流体更新的速度慢，下层流体几乎不更新，造成了温度场和浓度场在高度方向上的不均匀性。最严重情况下，在喷丝板竖直方向3cm(约等于喷丝板的直径)的间隔下，凝固液温度的上下差距在5?7V ;凝固液浓度的上下差距在0.5%以上。传统结构设计带来的温度场和浓度场的不均匀性，会引起在高度方向上不同位置成形后的初生纤维结构和性能的差异性，由此遗传下去，造成原丝毛丝增多，断头率变高，CV值变大。
[0006]一种用于生产聚丙烯腈基碳纤维原丝的热水牵伸槽，改进了传统热水牵伸槽的孔眼板的位置，增加了孔眼板支架，改变了加热介质的种类和流向，克服了传统热水牵伸槽设计的缺陷，提高了槽内温度场的均匀性，减少了气泡对原丝的扰动，消除了原丝毛丝多、断丝多和纤维缠辊现象。
[0007]专利CN201120356835公开了一种热水牵伸箱，包括:机架和热水箱体。热水箱体内设有拉伸箱、加热箱，所述拉伸箱和加热箱之间通过一热水循环路线循环联通。通过上述方式，该使用新型能够通过热水在两个箱体之间循环工作，合理的利用了工作空间，提高了热效率，使水温更加均匀地利于塑料单丝的拉伸。该专利中没有提及热水牵伸箱工作的温度范围。在接近沸水温度的热水牵伸过程中，就沸水产生的气泡对纤维拉伸的扰动影响的弊端，该专利没有提出解决方法。另外，该专利也没有就热水牵伸箱是否适合聚丙烯腈纤维的热水牵伸作出具体的说明。本专利即是基于以上问题提出。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的热水牵伸过程中，由于气泡扰动造成的毛丝多、断丝多和纤维缠辊的问题，提供了一种聚丙烯腈纤维的热水牵伸方法，该方法采用一种热水牵伸槽具有减少槽内气泡对原丝的扰动，提高槽内温度场的均匀性和消除纤维毛丝多，断丝多、原丝缠辊现象的优点。
[0009]为了解决技术问题，本发明所采用的技术方案如下:一种聚丙烯腈纤维的热水牵伸方法，将聚丙烯腈基纺丝原液经喷丝、凝固成形，然后进行热水牵伸；所述热水牵伸采用热水牵伸槽，所述热水牵伸槽包括孔眼板1、至少两个孔眼板支架2、主体槽体3、主体槽体的夹层填充物4、加热介质的出口 5、加热盘管6和加热介质的进口 7 ;其中传动辊位于热水牵伸槽两头，加热盘管6位于热水牵伸槽底部，热水液面下方是纤维，纤维下方孔眼板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体槽体内，孔眼板放置在孔眼板支架上，加热介质通过加热介质的进口 7和加热介质的出口 5进出加热盘管6。
[0010]上述技术方案中，所述加热盘管6居中设置；所述加热介质的出口 5优选为至少两个，分别位于加热盘管的两端且靠近主体槽体3的两侧端壁；所述加热介质的进口 7优选为至少一个，位于加热盘管中间。
[0011 ] 上述技术方案中，所述加热介质出口的数目进一步优选为2?6个。
[0012]上述技术方案中，所述孔眼板支架的高度优选为热水液面与热水牵伸槽底部距离的50%以上且小于热水液面与热水牵伸槽底部距离，更优选为热水液面与热水牵伸槽底部距离的75%以上，进一步优选为热水液面与热水牵伸槽底部距离的75%?90%。
[0013]上述技术方案中，所述孔眼板的长度不小于热水牵伸槽内长度的90%，进一步优选为热水牵伸槽内长度的75%?90% ;所述孔眼板的宽度不小于热水牵伸槽内宽度的90%，进一步优选为热水牵伸槽内宽度的75%?90%。
[0014]上述技术方案中，所述孔眼板和纤维的竖直距离优选为与纤维和热水液面的竖直距离相当，更优选为与纤维和热水液面的竖直距离相同；
[0015]上述技术方案中，所述孔眼板的孔密度不低于400目，更优选为400目到800目。
[0016]上述技术方案中，所述加热介质优选为饱和水蒸气，饱和水蒸气的压力优选为不高于300KPa，更优选为150KPa?300KPa ;热油的温度优选为不高于110°C。
[0017]上述技术方案中，所述热水牵伸在60°C?90°C的热水中进行，热水牵伸更优选为在90°C?98°C的热水中进行，热水牵伸比优化为I?5。
[0018]上述技术方案中，聚丙烯腈纤维的热水牵伸方法，可以优选为包括以下步骤:
[0019]经过凝固或者水洗的初生纤维，采用热水牵伸槽(采用附图1、2所示结构的热水牵伸槽)，加热介质为压力不高于300KPa的饱和水蒸汽，或者温度不高于110°C的热油，加热介质从槽底部中间的加热盘管进入，从槽底部的两头的加热盘管流出，孔眼板孔密度不低于400目，热水牵伸槽内有热水，热水的温度在60°C?90°C，热水牵伸的温度更优选为90°C?98°C，热水牵伸比优选为I?5。
[0020]采用本发明的方案，可以保证热水牵伸槽内温度场的均匀性，减少了热水牵伸过程中热水槽内气泡对纤维的扰动，消除了热水牵伸过程中的毛丝、断丝和纤维缠辊的现象，经过热水牵伸后的聚丙烯腈初生纤维得到的聚丙烯腈碳纤维原丝，原丝纤度为0.6?
1.2dtex，单丝强度为5?8cN/dtex，原丝体密度为1.17?1.19，取得了较好的技术效果。
【附图说明】
[0021]图1为本发明结构的正视图，图中AA’为剖线；
[0022]图2为图1中本发明结构沿剖线AA的剖视图；
[0023]图1中，I为孔眼板；2为至少两个孔眼板支架；3为主体槽体；4为主体槽体的夹层填充物；4为加热介质的出口 ；6为加热盘管；7为加热介质的进口 ；加热盘管6位于主体槽体3底部，孔眼板支架2置于主体槽体3内用于支撑放置在其上面的孔眼板I。
[0024]下面通过具体实施例进一步说明。
【具体实施方式】
[0025]【实施例1】
[0026]1、原液制备:将经蒸馏的丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)按比例97:3、固含量20%，偶氮二异丁腈(AIBN)占共聚单体的0.4wt%，以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂加入到反应器中，在氮气保护下，在59°C的恒定温度下反应20小时，得到二元丙烯腈共聚物纺丝液。然后纺丝液经减压脱除残余单体和气泡后，经过5 μ m过滤材料的过滤，得到丙烯腈共聚物纺丝原液。经测试，分子量为80021，分子量分布为3.34，粘度在60°C下为75Pa.S。
[0027]2、凝固成型:纺丝原液经过计量栗计量、再次经过3 μπι过滤后，通过喷丝头挤出后进入第I道凝固浴，凝固浴温度20°C，浓度为50%，牵伸比为-30%，第2道凝固浴为40 0C，浓度为40 %，牵伸比为100 %，第3道凝固浴为60 °C，浓度为30 %，牵伸比为105 %，得到初生纤维。
[0028]3、牵伸及水洗:
[0029]热水牵伸槽尺寸:长300cm，宽35cm，高25cm，夹层厚度3cm ;孔眼板长270cm,