一种25k大丝束碳纤维的制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维材料制备技术领域，具体涉及一种25k大丝束碳纤维及其制备方法。
背景技术
碳纤维是碳纤维复合材料的主要材料，碳纤维具有高的比强度、比模量、耐腐蚀等优点，被广泛的应用于风电、体育休闲、航空航天等领域。国内碳纤维行业的发展相对国外发展较晚，一般是跟随国外碳纤维产品参照相关指标，制约的国内企业对碳纤维差异化的发展。新产品的开发对复合材料差异化的促进有着重要的作用。
现阶段研究标明，在大直径聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法(CN109082730A)、大直径干湿法聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法(CN109252251 A)研究了1K小丝束的大直径原丝的制备方法，其纤度在66～412tex之间，同时也说明对大直径纤维可以有利于碳纤维生产效率的提高，生产本的降低，但大直径纤维不容易获得较高的力学性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的碳纤维力学性能差的问题，而提供一种25k大丝束碳纤维的制备方法。
本发明提供一种25k大丝束碳纤维的制备方法，该方法包括：
步骤一：在空气气氛下，将25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维置于氧化炉内，于215～280℃温度区间内进行预氧化，预氧化时间为40～120min，生产速度为12-15m/min，氧化炉循环风控为7～8m/s，牵伸比为1.50-1.80％，得到丝束碳纤维的预氧丝体；
步骤二：将预氧丝体经过低温碳化处理，牵伸比为0.25～0.43％，低温碳化处理温度为400～900℃，碳化时间为1～3min；
步骤三：将低温碳化处理后的碳纤维进行高温碳化处理，牵伸比为-4.0～4.2％，高温碳化处理的温度为900～1500℃，高温碳化时间1～3min，再经过表面处理、上浆、烘干得到大丝束碳纤维。
优选的是，所述的步骤一中采用6个氧化炉梯度的升温方式。
优选的是，所述的步骤一生产速度为13m/min，采用215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃六段梯度温度，预氧化理时间为60min，
优选的是，所述的25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维的线密度为3.88±0.8g/m、纤度为1.55dtex。
优选的是，所述的步骤三得到的大丝束碳纤维的线密度为2.0±0.05g/m。
本发明的有益效果
本发明提供一种25k大丝束碳纤维的制备方法，该方法通过控制6梯度温度以及氧化炉循环风控在7～8m/s的风速，牵伸工艺等参数，从而有效的解决克重与纤维性能关系，提高了大丝束碳纤维的克重，多段温度预氧化处理相对小丝束纤维3～4段更容易预氧化，解决预氧化的皮芯结构问题，但对大丝束纤维的性能未发生较大影响，结果表明:在25K大丝束纤维在6段梯度温度下进行预氧化，得到的碳纤维线密度为2.0±0.05g/m，碳纤维的拉伸强度在5.0GPa以上，模量在240～260GPa之间。
附图说明
图1为本发明实施例1大丝束碳纤维经过预氧化后的电镜照片图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1
选吉林碳谷公司湿法纺制生产的3.88g/m大克重、25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)，含90％以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维，在空气介质中，在13m/min的生产速度下，采用215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃六段梯度的预氧化理时间为60min，氧化炉循环风控在7m/s的风速，牵伸比为1.50％，得到密度为1.3815g/cm3的预氧丝，将预氧丝在氮气的保护下，在低温800℃碳化时间1.0min，施加0.25％牵伸比；高温1200℃碳化温度下施加-3.0％的牵伸比，高温碳化时间1.0min，再经过表面处理、上浆、烘干获得大丝束碳纤维。
将制备的碳纤维用北化树脂A/丙酮/北化树脂B(10:12:3.4)制备出混合液体浸胶固化，再根据国标GB/T3362–2017标准，对相应的碳纤维样品进行力学性能测试，结果见表1。
图1为本发明实施例1大丝束碳纤维经过预氧化后的电镜照片图，从图1可以看出，通过预氧化，纤维基本没有皮芯结构。
实施例2
选吉林碳谷公司湿法纺制生产的3.88g/m大克重、25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)，含90％以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维，在空气介质中，在13m/min的生产速度下，采用215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃六段梯度的预氧化理时间为60min，氧化炉循环风控在7.5m/s的风速，牵伸比为1.6％，得到密度为1.376g/cm3的预氧丝，将预氧丝在氮气的保护下，低温800℃碳化时间1.0min，施加0.31％牵伸比；高温1200℃温度下施加-2.50％的牵伸比，高温碳化1.0min，再经过表面处理、上浆、烘干获得大丝束碳纤维。测试结果见表1。
实施例3
选吉林碳谷公司湿法纺制生产的3.88g/m大克重、25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)，含90％以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维，在空气介质中，在13m/min的生产速度下，采用215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃预氧化炉处理，预氧化时间为60min，氧化炉循环风控在8m/s的风速，牵伸比为1.8％，得到密度为1.385g/cm3的预氧丝，将预氧丝在氮气的保护下，低温800℃碳化时间1.0min，施加0.43％牵伸比；高温1200℃温度下施加-3.95％的牵伸比，高温碳化1.0min，再经过表面处理、上浆、烘干获得大丝束碳纤维。测试结果见表1。
对比例1
选吉林碳谷公司湿法纺制生产的3.88g/m大克重，25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)，含90％以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维，在空气介质中，在13m/min的生产速度下，215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃六段梯度的预氧化理时间为60min，氧化炉循环风控在6m/s的风速，牵伸比为1.50％，得到密度为1.3825g/cm3的预氧丝。将预氧丝在氮气的保护下，低温800℃碳化时间1.0min，施加0.25％牵伸比；高温1200℃温度下施加-3.0％的牵伸比，高温碳化1.0min，再经过表面处理、上浆、烘干获得大丝束碳纤维。测试结果见表1。
对比例2
选吉林碳谷公司湿法纺制生产的3.88g/m大克重，25K大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)，含90％以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维，在空气介质中，在13m/min的生产速度下，215℃、225℃、235℃、245℃、255℃、265℃六段梯度的预氧化理时间为60min，氧化炉循环风控在9m/s的风速，牵伸比为1.50％，得到密度为1.3912g/cm3的预氧丝。将预氧丝在氮气的保护下，低温800℃碳化时间1.0min，施加0.25％牵伸比；高温1200℃温度下施加-3.0％的牵伸比，高温碳化1.0min，再经过表面处理、上浆、烘干获得大丝束碳纤维。测试结果见表1。
表1
根据表1中的实施例和对比例可以看出:
从实施例1-3与对比例1-2对应的碳丝性能可以看出，通过将一种线密度为3.88±0.08g/m的大丝束聚丙烯腈共聚纤维(原丝)通过采用6个氧化炉梯度升温方式，在空气气氛的环境下，在温度区间为215～280℃内进行预氧化40～100min，其氧化炉循环风控在7～8m/s的风速条件下制得大克重、大丝束碳纤维预氧丝，预氧化梯度温差在10±5℃时，经碳化后所得碳纤维的线密度为2.0±0.05g/m、拉伸强度为5.0GPa以上，拉伸模量在240±5GPa的大克重、25K大丝束碳纤维。
