聚丙烯腈原丝高效预氧化技术研究

发布时间：2021-09-02 20:22

　　碳纤维应用领域不断拓展导致生产厂家间和行业间的竞争日趋激烈,降低碳纤维成本是提高竞争力的有力手段。预氧化工序是碳纤维制备过程中关键过程,占时长能耗大。研究预氧化工艺并加以创新,降低预氧化温区、工序时长和能源耗用进而降低设备投资和碳纤维制备成本,是该形势下的技术需求。本文采用元素分析、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、预氧纤维切片、体密度、环化度、烧断温度测试等多种表征手段和多种指标测定,对比分析自产原丝的基本特性,研究在线预氧化工艺的过程特点,在此基础上,创新设计高效预氧化工艺,减少预氧化工序温区和设备使用数量,进而降低碳纤维的制备成本。并合理利用试验室研究、中试线试验、千吨线工业化生产间的理论指导和生产实践关系,将实验室研究成果切实地转化为工业化效果,在保证碳纤维性能前提下,实现最终产品成本降低。研究结果表明:1、恒神自产原丝在聚合配比、纺丝工艺、理化性能方面均存在其自有特性。DSC测试、烧断温度测试显示,由于自产原丝共聚组成使得在预氧化段集中放热现象明显,工艺设计需充分考虑温度梯度问题。纤维K数增加导致纤维烧断温度降低,需作为预氧化工艺制定和调控的重要考虑方面。2、通过自制预氧化实... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１ＰＡＮ基碳纤维的生产流程图??Ｆｉｇ．１－１?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ＰＡＮ－ｂａｓｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ??

?北京化工大学硕士学位论文???１．２．１碳纤维原丝的生产制备工艺??众所周知，目前制约碳纤维发展的主要原因是聚丙烯腈原丝质量［２（）］。并且最终??碳纤维成品的性能是由聚丙烯腈原丝的质量所决定，最终的生产成本的高低也与原??丝的生产制备有着较大关系。根据有关计算，在总成本中，聚丙烯腈碳纤维生产原??丝的成本占其中的５０％？６０％?（如图１－２所示）；而技术投资部分，原丝部分的投??资占总投资的８０％。所以，能够掌握原丝生产的技术要领，就有了生产性能优良碳??纤维的优势。??Ｂ原丝??爹??图１－２碳纤维生产成本组成??Ｆｉｇ．?１－２?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｃｏｓｔｓ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｆｉｂｅｒ??从理论和实践出发，生产的ＰＡＮ原丝质量就可以直接决定最终碳纤维成品的??质量。如果在生产原丝的过程中，大量出现原丝的断丝以及原丝的缠辊现象，则所??生产的碳纤维原丝的性能不达标，也很难维持原丝和碳丝的稳定生产。经过数年科??研工作者研究以及企业的生产经验积累，要想得到性能优良的碳纤维原丝，必须具??有如下特性：纤维直径孝分子链可以沿纤维轴进行最大取向、原丝中结晶含量达??到最高、且低环化活化能等。所以制备优良碳纤维原丝技术的核心就是原丝高强化、??高纯度化、细径化、均质化以及少缺陷化［２１＿２４］。??聚合单元所生产的产品就是生产原丝所需要的原料。制备ＰＡＮ原丝分为一步??法和两步法。一步法可以减少聚合液生产过程，从而降低聚合液的制备成本。在一??定温度环境和压力环境中在凝固浴中发生双扩散过程，从而生成纤维。而两步法与??一步法不同，它是先将聚合所得的原料通过过滤和干燥等一系列的工序后再溶解制??６??

般聚合生产中采用的主要原料为丙烯腈（ＡＮ），溶剂为二甲基亚砜（ＤＭＳＯ），??有一定量的共聚单体存在，在引发剂的作用下产生聚合反应，然后经过一系列的脱??单、脱泡处理，通过齿轮泵为下一工序输送聚合原液。??这一过程有着溶液体系自由基聚合的主要特征：??１）在聚合过程中可以将反应分为一系列的基元反应，如引发、增长、终止；??２）引发剂可以渐渐得以分解，从而分子链上连接被引发的单体，增大转化率：??３）链增长的反应活化能较低，产物的分子量高。??以二甲基亚砜的连续聚合为例，其聚合流程如图１－３所示。??－?＊?－?｜?厂?？—?＊?］??翬合薅分??供蠹??ＫＭ？分?供氮二异丁鲭??：，?，????虽｜?ｉ?＞?ｆ第一裹?＞第二豪，；??＜：！１?Ｉ?合签?＊鼸，？?合釜??—??ｉ?ｒ＝＾＾ｒ＝ｒ??？?丨；１隨１＾１叫ｕ：??丙烯酸甲鼉??Ｉ??！?ｉ?Ｉ?．丄?＿?！??——?广＂?；??｜?二甲飙—》？计＊檐??？配制釜??????＿今［计最梢?＿Ｊ?Ｉ?Ｉ?＊＊??ｉ?”?ｊ?ｉ?＾?Ｉ?｜??ｙ??！?１１真空及单体?１?水碰１?ｉ??厂＾＾湟科Ｉ丨问牧系统?热水紗??聚合液储榷＾Ｊ丨ｊ?Ｉ??Ｉ?Ｊ?聚細５??图１－３二甲基亚砜连续聚合流程简图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ＰＡＮ?ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ?ｉｎ?ＤＭＳＯ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ??（２）原丝生产工艺流程??满足条件的聚合原液并且有着适宜的纺丝条件才能生产出性能优良的碳纤维??原丝。生产聚丙烯腈碳

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]聚丙烯腈纤维的预氧化工艺与物化行为研究[D]. 何东新.山东大学 2005

硕士论文
[1]PAN纤维在热氧稳定化阶段结构变化及其与碳纤维结构性能关联性研究[D]. 黄胜兵.北京化工大学 2016



本文编号：3379671