简介

一、技术背景
碳纤维是指化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维，按原料分主要有黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。目前，制造长丝型的碳纤维，工业上只能通过高分子有机纤维的固相碳化来得到。在世界碳纤维市场上，PAN基碳纤维和沥青基碳纤维，无论是在综合性能上还是在销量上都处于绝对优势地位，所以对用于碳纤维的PAN和沥青前体纤维已经进行了大量的科学研究并形成了不少专利。但由于纤维素基碳纤维的纯度高、生物相容性佳而且耐烧蚀性好，因而在航空、航天、军事和医学等领域有着其他两类碳纤维不可替代的地位。
然而粘胶基碳纤维碳化得率低、成本高、强度不及聚丙烯腈基和沥青基碳纤维，且生产过程存在着工艺路线长、能耗大、环境污染重等缺点。因此开发新的碳得率及力学性能俱佳的纤维素基碳纤维用前体纤维显得尤为重要。纤维素基碳纤维用前体纤维外观如图1所示。

二、技术原理
本技术所要解决的问题是提供一种化学纤维中碳纤维的前体纤维的制备方法，特别是以纤维素碱复合/炭黑溶液来纺制纤维素基碳纤维的前体纤维的工艺方法。
这种低温碱尿素法纤维素基碳纤维的前体纤维的制备方法，包括以下步骤：将0.7g水溶性炭黑边搅拌边加入到930g3wt％～20wt％氢氧化钠/3wt％～15wt％尿素/3wt％～15wt％硫脲水溶液中，得到碱复合/炭黑水溶液；将70g已干燥的聚合度为600的纤维素棉浆粉末分散在上述碱复合/炭黑水溶液中，高速搅拌形成悬浮液，进入到已预冷冻的双螺杆中，双螺杆转速为200rpm，各区温度为-4℃～2℃；经过双螺杆挤出机低温高剪切溶解后获到7wt％的均匀稳定纤维素碱复合/炭黑溶液；经过过滤、脱泡后得到纤维素基碳纤维的前体纤维的纺丝原液；将纺丝原液经0.01mm喷丝板挤出，进入5℃的乙二醇/乙酸水溶液中凝固成型，进一步水洗、牵伸、上油和干燥后获得强度为1.9cN/dtex含炭黑0.5wt％的纤维素基碳纤维的前体纤维；用此前体纤维经氧化、碳化处理后制备的碳纤维，比未添加炭黑制备的碳纤维碳得率、强度和模量分别提高了6％、20％和25％。

三、效果指标

目前，本技术处于中试阶段，效果突出。
四、适用对象
本技术应用于制备碳纤维前体纤维。

工艺流程简介

技术特色

本技术具有以下优势：
1) 本技术采用的预冷冻双螺杆，能够在低温高剪切的条件下，高效的溶解纤维素，使得纤维素溶液中纤维素固含量大大提高；
2) 本技术制得的纤维素碱复合/炭黑溶液均匀稳定，克服了溶液易凝胶的问题，粘度适中，可纺性好，有利于后续的纺丝加工制得高质量的前体纤维；
3) 添加了水溶性炭黑的纤维素碱复合/炭黑溶液所纺制的前体纤维结构致密、热稳定好、耐烧蚀，纤维截面为圆形，在相同条件下前体纤维碳化得率、强度与模量有显著提高；
4) 本技术工艺简单，所采用的溶剂绿色环保、价格低廉、回收简易 。