一种采用Lyocell纤维制备的碳化纤维及其方法
技术领域
本发明涉及一种采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布、碳化纤维及其方法，属于织物碳化制备领域。
背景技术
众所周知，粗帆布又称蓬盖布，具有良好的防水性能，最大的特点就是结实耐用，用于汽车运输和露天仓库的遮盖以及野外搭帐篷。细帆布用于制作劳动保护服装及其用品，经染色或印花后，也可用作鞋材、箱包面料、手袋、背包、桌布、台布等等。此外，还有橡胶帆布，防火、防辐射用的屏蔽帆布，造纸机用的帆布。
公开号为CN102181988A的中国专利，提供了一种有机硅帆布的生产方法，它包括以下步骤：1)织布，2)浸胶，步骤1)中，首先将原有的涤纶短纤维环锭纺20支单纱，加工成以下两种不同性质的纬纱：A、4股20支单纱合并，不加捻；B、4股20支单纱合并，再加捻，捻度为250-340捻/10厘米；接着将4股并纱加捻作为经纱，捻度为300-340捻/10厘米；随后将以上A、B两种纬纱按1-2∶1引纱纬织布；该帆布的撕裂强度较高、耐用性能较好及浸胶后的防水效果较好的特点。
申请号CN201610680573.2公开了一种保暖透气帆布帐篷面料，其由涤纶纤维，木棉纤维，羊毛纤维，椰油酰二乙醇胺，甘露醇，羽毛粉，沸石粉，苯丙乳液，羟丙基甲基纤维素，改性淀粉溶胶组成。制备方法为在普通帆布基部上涂覆涂覆剂，干燥后得到帆布，虽然能够符合基本的使用要求，涂层稳定性和均匀度高，防水喝防湿效果好，其透气性能较差。
公开号为CN101583747A的日本专利公开了一种碳化布的制造方法以及由其制得的碳化布，其机械性能稳定，化学性能也得到一定的提高，但采用的工艺复杂，生产过程不易控制，危险系数较高，实际应用受到限制，缺乏实用性。
现有的帆布及碳化纤维存在以下问题：（1）机械性能、化学性能和透气性能无法同时兼顾；（2）制备方法繁琐，工艺条件要求高，不易得到推广，实用性缺乏。
发明内容
本发明为解决以上技术问题，针对现有技术的不足之处，提供一种采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布、碳化纤维及其方法，以实现以下发明目的：
（1）本发明采用Lyocell纤维制备的碳化纤维，具有优异的机械性能，断裂伸长率低，强力不匀率高，断伸不匀率高；
（2）本发明碳化纤维所采用的高透气性碳化帆布，透气性能好。
（3）本发明碳化纤维所采用的高透气性碳化帆布，机械强度比普通帆布强度高，在化学性能和热稳定性方面也得到了较大的提高。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种采用Lyocell纤维制备的碳化纤维，所述碳化纤维，断裂伸长率15.6-18.5%，强力不匀率0.0-0.1%，断伸不匀率0.1-1%，干热收缩率为0.1-0.2%。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
一种采用Lyocell纤维制备的碳化纤维，所述采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布,%20透气率为260-285%20L/(m2.S),%20洗涤50次后，透气率为255-322%20L/(m2.S)。
一种采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化纤维的制备方法，所述制备方法，包括基材的选择、浸渍、帆布的制备、低温碳化、连续预氧化热处理和活化。
所述基材的选择，选择用Lyocell工业长丝。
所述Lyocell工业长丝，规格为1000D-6000D/10F-100F。
所述Lyocell工业长丝，规格为：线密度为1835-1900%20dtex，强力为88.6-90.5N，66.6N定伸为3.3-4.6%，73.6N定伸为4.1-4.6%，断裂伸长率6.7-7.5%，强力不匀率2.0-2.2%，断伸不匀率5.5-5.8%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.4-0.5%。
所述浸渍，采用的浸渍液，包括环状磷酸基团、三乙醇胺、尿素改性三聚氰胺和水，质量比为10-15:4-5:2-4:50。
所述浸渍液的制备方法为：先将环状磷酸基团、三乙醇胺和水配制成溶液，再加入尿素改性三聚氰胺，搅拌而成。
所述的环状磷酸基团的制备方法为：
1）常温下，按照摩尔比10-12:1的比例将多聚磷酸与季戊四醇混合，依次加入质量百分占比为55%的活性助剂和质量百分占比为20%的碳酸钾粉末，整个过程采用惰性气体进行绝氧处理，均匀搅拌，升温至30-35℃，反应2-3h，再继续升温至48-52℃，恒温反应12h；
2）冷却、抽滤、洗涤、干燥，得到白色粉末；
3）将白色粉末和三聚氰胺磷酸盐按照摩尔比为3:1的比例混合，加入适量去离子水，搅拌，升温至50-58℃反应6.2-7h。
所述尿素改性三聚氰胺，由甲醛、尿素、三聚氰胺在pH为8.2的NaOH溶液中反应而成。
所述尿素改性三聚氰胺，反应温度由50℃升温至90℃，升温速率为3-4℃/min，保温20min。
所述浸渍，还包括基材用浸渍液浸渍，1）将上述基材采用频率为12.6Hz、电场强度为1.24kV/cm的脉冲电场处理13-20s，微波处理3-5min；
2）将处理后的基材放入密封反应釜中，并将密封反应釜抽真空度为0.05-0.08MPa，保持20-30min，将浸渍液注入密封反应釜中，加压0.8-1.0MPa，保持13-16min，排出溶液；
3）将浸渍后的基材在真空干燥箱中保持48℃，干燥1-3h，得到浸渍处理的Lyocell纤维基材。
所述帆布的制备，将步骤二制备的浸渍处理的Lyocell纤维基材，采用赛络纺工艺，合股线、加中度捻，采用喷气织机或箭杆织机进行织布。
织布时，经密设定80-90根/米，纬密设定10-50根/米。
然后经过烧毛，退浆、煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩，得到帆布。其中，退浆速度为50-55m/min。
所述低温碳化，将上述帆布放入低温热处理炉中进行低温碳化，低温热处理炉初始炉温设为155℃，然后以8℃/min的升温速率升温到255℃，恒温20min后升到290℃，进入冷却环节，冷却至温度90±5℃，向进出口加氮气气封。
所述连续预氧化热处理，将低温碳化后得到的产物置入295±5℃的连续预氧化炉中进行连续预氧化热处理，处理时间为30-40min，然后升高连续预氧化炉温度至360±10℃，处理时间为5-10min。
所述活化，将上述产物于活化炉中进行活化处理，活化炉初始温度设为365℃，以8-10℃/min的升温速率升温至470℃，恒温10min%20同时喷液处理，喷液速率为7.5-8.7L/min，再进入470℃干燥机中干燥5min%20后冷却，出口温度低于100℃，氮气气封。
所喷液体为去离子水、棕榈油、α-亚麻酸和铃兰醛，质量比为180:2:5:1。
将碳化帆布按照常规方法进行开松处理，可以得到碳化纤维，所得到的碳化纤维，张力稳定。
所得到的碳化纤维，线密度为1866-1895%20dtex，强力为100-200N，断裂伸长率15.6-18.5%，强力不匀率0.0-0.1%，断伸不匀率0.1-1%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.1-0.2%。
本发明的制备方法得到的碳化纤维，可以应用于吸附材料，应用于水处理等过滤领域。
采用上述技术，本发明的有益效果为：
（1）本发明采用Lyocell纤维制备的碳化纤维，具有优异的机械性能，断裂伸长率15.6-18.5%，强力不匀率0.0-0.1%，断伸不匀率0.1-1%，干热收缩率为0.1-0.2%。
（2）本发明碳化纤维，所采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布（厚度规格为2.0mm）按照ASTMD737中所述的方法对透气性能进行检测，透气率为260-285%20L/(m2.S),洗涤50次后，透气率为255-322%20L/(m2.S)。
（3）本发明碳化纤维，所采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布，机械强度比普通帆布强度高，在化学性能和热稳定性方面也得到了较大的提高。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1%20一种采用Lyocell纤维制备碳化纤维的方法及其制得的碳化帆布、碳化纤维
步骤一、基材的选择
所述基材，选择用Lyocell工业长丝；
所述Lyocell工业长丝，规格为：线密度为1909dtex，强力为89.5N，66.6N定伸为3.6%，73.6N定伸为4.3%，断裂伸长率6.8%，强力不匀率2.2%，断伸不匀率5.8%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.49%。
步骤二、浸渍
（1）制备浸渍液
所述浸渍液，包括环状磷酸基团、三乙醇胺、尿素改性三聚氰胺和水，质量比为10:4:2:50，制备方法为：先将环状磷酸基团、三乙醇胺和水配制成溶液，再加入尿素改性三聚氰胺，搅拌而成。
所述的环状磷酸基团，由多聚磷酸、季戊四醇、活性助剂、碳酸钾三聚氰胺磷酸盐组成；
所述的活性助剂为二氯甲烷、航空煤油、甲苯和硅酸钠，质量比为1:1:3:4。
所述的环状磷酸基团的制备方法为：
1）常温下，按照摩尔比11:1的比例将多聚磷酸与季戊四醇混合，依次加入质量百分占比为55%的活性助剂和质量百分占比为20%的碳酸钾粉末，整个过程采用惰性气体进行绝氧处理，均匀搅拌，升温至30℃，反应3h，再继续升温至52℃，恒温反应12h；
2）冷却、抽滤、洗涤、干燥，得到白色粉末；所得到的白色粉末25℃下5%的水溶液pH为2.4；
3）将白色粉末和三聚氰胺磷酸盐按照摩尔比为3:1的比例混合，加入适量去离子水，搅拌，升温至50℃反应6.2h，得到环状磷酸基团。
所述尿素改性三聚氰胺，由甲醛、尿素、三聚氰胺在pH为8.2的NaOH溶液中反应而成；反应温度由50℃升温至90℃，升温速率为4℃/min，然后保温20min反应而成。
（2）基材的浸渍
将上述基材用浸渍液浸渍，处理方法具体为：
1）将上述基材采用频率为12.6Hz、电场强度为1.24kV/cm的脉冲电场处理13-20s，微波处理3-5min；
2）将处理后的基材放入密封反应釜中，并将密封反应釜抽真空度为0.05MPa，保持20-30min，将浸渍液注入密封反应釜中，加压0.8MPa，保持16min，排出溶液；
3）将浸渍后的基材在真空干燥箱中保持48℃，干燥1-3h，得到浸渍处理的Lyocell纤维基材。
步骤三、帆布的制备
将步骤二制备的浸渍处理的Lyocell纤维基材，采用赛络纺工艺，合股线、加中度捻，采用喷气织机或箭杆织机进行织布；
然后经过烧毛，退浆、煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩，得到帆布。
其中，退浆速度为50m/min；
织布时，经密设定80-82根/米，纬密设定10-15根/米；
所述的烧毛，煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩方法均采用常规方法，不再赘述。
步骤四、低温碳化
将上述帆布放入低温热处理炉中进行低温碳化，低温热处理炉初始炉温设为155℃，然后以8℃/min的升温速率升温到255℃，恒温20min后升到290℃，进入冷却环节，冷却至温度87℃，向进出口加氮气气封。
步骤五、连续预氧化热处理
将低温碳化后得到的产物置入290℃的连续预氧化炉中进行连续预氧化热处理，处理时间为30min，然后升高连续预氧化炉温度至350℃，处理时间为10min。
步骤六、活化
将上述产物于活化炉中进行活化处理，活化炉初始温度设为365℃，以8℃/min的升温速率升温至470℃，恒温10min%20同时喷液处理，喷液速率为7.5L/min，再进入470℃干燥机中干燥5min%20后冷却，出口温度低于100℃，氮气气封。
所喷液体为去离子水、棕榈油、α-亚麻酸和铃兰醛，质量比为180:2:5:1。
步骤七、后处理
经定型机进行定型烘干后处理，制得本发明的采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布。
其中，定型烘干温度为162℃，定型速度为150m/min。
将碳化帆布按照常规方法进行开松处理，可以得到碳化纤维，所得到的碳化纤维，张力稳定。
所得到的碳化纤维，线密度为1866dtex，强力100N，断裂伸长率15.6%，强力不匀率0.1%，断伸不匀率1%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.2%。
本发明的制备方法得到的碳化纤维，可以应用于吸附材料，应用于水处理等过滤领域。
%20实施例2%20一种采用Lyocell纤维制备碳化纤维的方法及其制得的碳化帆布、碳化纤维
步骤一、基材的选择
所述基材，选择用Lyocell工业长丝；
所述Lyocell工业长丝，规格为：线密度为1900%20dtex，强力为90.2N，66.6N定伸为4.2%，73.6N定伸为4.6%，断裂伸长率7.1%，强力不匀率2.0%，断伸不匀率5.5%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.48%。
步骤二、浸渍
（1）制备浸渍液
所述浸渍液，包括环状磷酸基团、三乙醇胺、尿素改性三聚氰胺和水，质量比为11:4.4:3:50，制备方法为：先将环状磷酸基团、三乙醇胺和水配制成溶液，再加入尿素改性三聚氰胺，搅拌而成。
所述的环状磷酸基团，由多聚磷酸、季戊四醇、活性助剂、碳酸钾三聚氰胺磷酸盐组成；
所述的活性助剂为二氯甲烷、航空煤油、甲苯和硅酸钠，质量比为1:1:3:4。
所述的环状磷酸基团的制备方法为：
1）常温下，按照摩尔比10:1的比例将多聚磷酸与季戊四醇混合，依次加入质量百分占比为55%的活性助剂和质量百分占比为20%的碳酸钾粉末，整个过程采用惰性气体进行绝氧处理，均匀搅拌，升温至32℃，反应3h，再继续升温至50℃，恒温反应12h；
2）冷却、抽滤、洗涤、干燥，得到白色粉末；所得到的白色粉末25℃下5%的水溶液pH为2.4；
3）将白色粉末和三聚氰胺磷酸盐按照摩尔比为3:1的比例混合，加入适量去离子水，搅拌，升温至54℃反应6.6h，得到环状磷酸基团。
所述尿素改性三聚氰胺，由甲醛、尿素、三聚氰胺在pH为8.2的NaOH溶液中反应而成；反应温度由50℃升温至90℃，升温速率为4℃/min，然后保温20min反应而成。
（2）基材的浸渍
将上述基材用浸渍液浸渍，处理方法具体为：
1）将上述基材采用频率为12.6Hz、电场强度为1.24kV/cm的脉冲电场处理13-20s，微波处理3-5min；
2）将处理后的基材放入密封反应釜中，并将密封反应釜抽真空度为0.07MPa，保持20-30min，将浸渍液注入密封反应釜中，加压0.95MPa，保持14min，排出溶液；
3）将浸渍后的基材在真空干燥箱中保持48℃，干燥1-3h，得到浸渍处理的Lyocell纤维基材。
步骤三、帆布的制备
将步骤二制备的浸渍处理的Lyocell纤维基材，采用赛络纺工艺，合股线、加中度捻，采用喷气织机或箭杆织机进行织布；
织布时，经密设定84-86根/米，纬密设定15-20根/米；
然后经过烧毛，退浆、煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩，得到帆布。
其中，退浆速度为52m/min；
所述的烧毛，煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩方法均采用常规方法，不再赘述。
步骤四、低温碳化
将上述帆布放入低温热处理炉中进行低温碳化，低温热处理炉初始炉温设为155℃，然后以8℃/min的升温速率升温到255℃，恒温20min后升到290℃，进入冷却环节，冷却至温度90℃，向进出口加氮气气封。
步骤五、连续预氧化热处理
将低温碳化后得到的产物置入295℃的连续预氧化炉中进行连续预氧化热处理，处理时间为35min，然后升高连续预氧化炉温度至360℃，处理时间为7min。
步骤六、活化
将上述产物于活化炉中进行活化处理，活化炉初始温度设为365℃，以9℃/min的升温速率升温至470℃，恒温10min%20同时喷液处理，喷液速率为8.4L/min，再进入470℃干燥机中干燥5min%20后冷却，出口温度低于100℃，氮气气封。
所喷液体为去离子水、棕榈油、α-亚麻酸和铃兰醛，质量比为180:2:5:1。
步骤七、后处理
经定型机进行定型烘干后处理，制得本发明的采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布。
其中，定型烘干温度为170℃，定型速度为156m/min。
将碳化帆布按照常规方法进行开松处理，可以得到碳化纤维，所得到的碳化纤维，张力稳定。
所得到的碳化纤维，线密度为1875%20dtex，强力为144N，断裂伸长率16.8%，强力不匀率0.07%，断伸不匀率0.55%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.14%。
本发明的制备方法得到的碳化纤维，可以应用于吸附材料，应用于水处理等过滤领域。
实施例3%20一种采用Lyocell纤维制备碳化纤维的方法及其制得的碳化帆布、碳化纤维
步骤一、基材的选择
所述基材，选择用Lyocell工业长丝；
所述Lyocell工业长丝，规格为：线密度为1835%20dtex，强力为88.6N，66.6N定伸为3.3%，73.6N定伸为4.1%，断裂伸长率6.7%，强力不匀率2.1%，断伸不匀率5.5%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.47%。
步骤二、浸渍
（1）制备浸渍液
所述浸渍液，包括环状磷酸基团、三乙醇胺、尿素改性三聚氰胺和水，质量比为15:%205:4:50，制备方法为：先将环状磷酸基团、三乙醇胺和水配制成溶液，再加入尿素改性三聚氰胺，搅拌而成。
所述的环状磷酸基团，由多聚磷酸、季戊四醇、活性助剂、碳酸钾三聚氰胺磷酸盐组成；
所述的活性助剂为二氯甲烷、航空煤油、甲苯和硅酸钠，质量比为1:1:3:4。
所述的环状磷酸基团的制备方法为：
1）常温下，按照摩尔比10:1的比例将多聚磷酸与季戊四醇混合，依次加入质量百分占比为55%的活性助剂和质量百分占比为20%的碳酸钾粉末，整个过程采用惰性气体进行绝氧处理，均匀搅拌，升温至35℃，反应2h，再继续升温至48℃，恒温反应12h；
2）冷却、抽滤、洗涤、干燥，得到白色粉末；所得到的白色粉末25℃下5%的水溶液pH为2.4；
3）将白色粉末和三聚氰胺磷酸盐按照摩尔比为3:1的比例混合，加入适量去离子水，搅拌，升温至58℃反应6.2h，得到环状磷酸基团。
所述尿素改性三聚氰胺，由甲醛、尿素、三聚氰胺在pH为8.2的NaOH溶液中反应而成；反应温度由50℃升温至90℃，升温速率为4℃/min，然后保温20min反应而成。
（2）基材的浸渍
将上述基材用浸渍液浸渍，处理方法具体为：
1）将上述基材采用频率为12.6Hz、电场强度为1.24kV/cm的脉冲电场处理13-20s，微波处理3-5min；
2）将处理后的基材放入密封反应釜中，并将密封反应釜抽真空度为0.08MPa，保持20-30min，将浸渍液注入密封反应釜中，加压1.0MPa，保持13min，排出溶液；
3）将浸渍后的基材在真空干燥箱中保持48℃，干燥1-3h，得到浸渍处理的Lyocell纤维基材。
步骤三、
步骤四、帆布的制备
将步骤二制备的浸渍处理的Lyocell纤维基材，采用赛络纺工艺，合股线、加中度捻，采用喷气织机或箭杆织机进行织布；
织布时，经密设定86-90根/米，纬密设定40-50根/米；
然后经过烧毛，退浆、煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩，得到帆布。
其中，退浆速度为55m/min；
所述的烧毛，煮练、漂白，丝光，染色，氨熏，氧化，水洗，烘干，焙烘和预缩方法均采用常规方法，不再赘述。
步骤四、低温碳化
将上述帆布放入低温热处理炉中进行低温碳化，低温热处理炉初始炉温设为155℃，然后以8℃/min的升温速率升温到255℃，恒温20min后升到290℃，进入冷却环节，冷却至温度95℃，向进出口加氮气气封。
步骤五、连续预氧化热处理
将低温碳化后得到的产物置入299℃的连续预氧化炉中进行连续预氧化热处理，处理时间为40min，然后升高连续预氧化炉温度至370℃，处理时间为5min。
步骤六、活化
将上述产物于活化炉中进行活化处理，活化炉初始温度设为365℃，以10℃/min的升温速率升温至470℃，恒温10min%20同时喷液处理，喷液速率为8.7L/min，再进入470℃干燥机中干燥5min%20后冷却，出口温度低于100℃，氮气气封。
所喷液体为去离子水、棕榈油、α-亚麻酸和铃兰醛，质量比为180:2:5:1。
步骤七、后处理
经定型机进行定型烘干后处理，制得本发明的采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布。
其中，定型烘干温度为180℃，定型速度为160m/min。
将碳化帆布按照常规方法进行开松处理，可以得到碳化纤维，所得到的碳化纤维，张力稳定。
所得到的碳化纤维，线密度为1895%20dtex，强力为200N，断裂伸长率18.5%，强力不匀率0.0001%，断伸不匀率0.001%，干热收缩率（177℃.10min.0.05CN/dtex）为0.003%。
本发明的制备方法得到的碳化纤维，可以应用于吸附材料，应用于水处理等过滤领域。
将本发明采用Lyocell纤维制备的高透气性碳化帆布（厚度规格为2.0mm）按照ASTMD737中所述的方法对透气性能进行检测，透气率为260-285%20L/(m2.S),洗涤50次后，透气率为255-322%20L/(m2.S),检测结果如表1。
表1：
除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为质量百分数，所述比例均为质量比例。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
