介绍碳纤维复合材料的纺丝工艺

2020-04-28 15:09:20 admin 19

介绍纺丝原液的制备

纺丝原液是纺丝的原料,其性能直接关系到原丝的性能,因而对其有比较严格的限制。所谓的纺丝原液,是指溶液聚合后,通过一定的工艺过程脱除未反应的单体和体系中的微小气泡,调整聚合物到一定浓度的聚合物溶液。纺丝原液有两个需要注意的问题:第一是凝胶化。PAN聚合物溶液容易产生凝胶现象,通常储存温度越高,聚合物的浓度越大,凝胶产生的速度越快,因此防止凝胶是纺丝原液储存条件确定时需要主要考虑的问题;第二是纺丝原液的过滤。在纺丝之前,必须尽可能地除去纺丝原液中的固态杂物、未溶解的聚合物、聚合物凝胶等,否则会大大提高原丝和碳纤维制造过程中的断丝频率,严重者可能造成喷丝板堵塞,对生产的稳定性造成很大的影响。工业上通常采用两级过滤以提高滤芯的使用效率和寿命,滤芯的最小孔径为5μm,甚至为2μm。

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关于纺丝工艺

在PAN原丝纤维的制备过程中,纺丝液从喷丝组件喷出,进入凝固浴后凝固成纤维状固体。对于初生的原丝纤维,其内部的PAN大分子几乎是无序排列的,这种无序排列不利于原丝拉伸强度的提高,从而直接影响碳纤维的性能。为了获取结构致密的PAN 原丝,必须对纤维进行牵伸,对原丝施加的牵伸倍率越高,原丝内的PAN大分子链的排列规整度越高,纤维的结构就越致密,越有可能获得高性能的碳纤维。

PAN基碳纤维的纺丝方法通常有熔融法、干法和湿法。由于PAN聚合物的分解温度与其熔融温度接近,因而一般在工业化生产中无法采用熔融纺丝。干法纺丝是最早工业化的PAN纺丝方法,利用干法纺丝可以获得致密的原丝,这对获取高性能的碳纤维是十分有利的,但由于其生产能力差,未能在碳纤维原丝领域获得工业应用。从生产性和设备的复杂程度考虑,目前湿法纺丝是工业上普遍采用的纺丝方法。

目前市场上的主流的湿法纺丝是指聚合物的凝固过程发生在液相中的纺丝方法。因而,喷丝板浸入在凝固浴中,纺丝原液通过喷丝板直接进入凝固浴的湿喷湿纺(wet jet wet spinning)和喷丝板不与凝固浴直接接触,纺丝原液从喷丝板喷出后首先经过一定距离的空气段,然后进入凝固浴中凝固,这种方法称为干喷湿纺(dry jet wet spinning),上述的两种方法都属于湿法纺丝。在国内,习惯将湿法纺丝仅指湿喷湿纺,而干喷湿纺有时候又被成为干湿法。与湿法相比,干喷湿纺技术可以明显提高在纺丝过程中的牵伸倍率,从而提高整体纺丝速度,更加方便调控纤维的结构形成过程以及其物理机械性能,在某些情况下还有利于溶剂回收和改善操作环境。这两种纺丝方法,在PAN基碳纤维原丝的工业化生产中都有应用,各有优劣。

国内目前T300碳纤维生产主要采取的是湿法纺丝,也就是原丝液从喷丝头喷出来,直接进入凝固液。这样纤维内部产生的孔隙和缺陷相应的增多,同时由于溶剂向外扩散受阻,在预氧化碳化阶段溶剂分子挥发,会留下很多缺陷。这些缺陷最终会遗传给碳纤维,造成碳纤维强度低。T700碳纤维的生产则采取了不同的路线,大多使用了干喷湿纺技术,就是原丝液从喷丝孔出来,不直接进入凝固液,而是先经过一段空气段在进入凝固液。因为聚丙烯腈溶液粘度大,需要在一定压力下才能喷出纺丝孔,原丝液从孔中出来就会膨胀,这个时候在牵伸的作用下,原丝液直径慢慢变细。同时由于表层还没有接触水,所以表层和芯部的收缩率是一样的,牵伸不会产生表面塌陷。这样会使纺制出来的原丝截面更规则,表层和芯部物相均匀,产生的缺陷相对较少。所以后续的预氧化和炭化遗传的缺陷也会少,因此T700碳纤维的强度就会比T300高。实际应用中,这两种方法各有优劣势,湿法在对相应生产工艺进行一定的优化后,也能生产出T700,T800强度的碳纤维原丝。湿法产品表面结构相对更利于与树脂等基体材料复合进而通过成型制造加工成复合材料构制件,但是生产效率相对较低会使生产成本比较高,因此更适合应用在对性能及其稳定性要求比较高的高端装备领域;干湿法工艺生产效率相对较高,生产成本更低,产品更适合应用在对性能要求不是很高但是更关心经济性的一般工业和民用领域以及以缠绕为成型工艺的应用领域。因此选择湿法产品或是干湿法产品,很多时候不是由生产者决定的,而是由最终是由用户决定的。


标签: 碳纤维 纺丝
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