聚丙烯腈基活性碳纤维生产工艺的研究

聚丙烯腈基活性碳纤维生产工艺的研究

目前，我国采购的acf产品主要是用粘土棒代替acf的，但由于缺乏可繁殖性，产品加工难度大，因此国内同行的采购产品仍存在许多问题。本文采用VF/PANF混纺毡生产ACF制品可提高生产率,降低成本,解决了以往PAN-ACF生产中难以解决的问题,如断丝、生产效率低、油剂依赖进口等问题。1聚丙烯腈基碳纤维本研究所用原料是由吉林碳纤维厂提供的聚丙烯腈纤维(PANF)、聚丙烯腈预氧化丝(OPANF)、聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)及辽源碳纤维厂提供的粘胶纤维(VF),它们有关的理化性能见表1。2生产过程中的国内采购和acf产品2.1pan-acf制品的生产ACF与CF的生产工艺有许多相似之处,主要差异是活化设备与工艺。不同的纤维原料具有不同的碳化、活化特性,因而所采用的制备工艺流程各有不同。归纳起来,其ACF制备工艺流程如图1所示:由PANF制取PAN-ACF的制造工艺如图2所示,PAN-ACF的生产采用大丝束(40～320K)PAN原丝,其优点是价格便宜,易于深加工。ACF制品种类很多,其中发展最为迅速、应用范围最广的就是ACF织品,其形式主要有机织品和非织造产品。ACF制品一般不采用针织品。ACF机织布的机械性能及稳定性好,清灰容易,特别是在液体过滤方面,介质在压力下便于用水清洗,但由于布面孔隙率低,且孔隙是直通的,易漏滤,所以其过滤效率较低ACF非织造布比ACF机织布过滤效率高,压力损失小且生产成本低,这是由ACF非织造布特定的三维结构决定的。ACF非织造布具有很高的过滤效率(可达99.9%),在气相过滤领域的应用具有很高的经济价值。所以本研究采用PAN-ACF非织造布(毡)为主要研究制品。ACF非织造布预制品可采用化学粘合法、针刺或水刺法来生产。化学粘合法由于采用化学粘合剂降低产品的性能不利于活性碳纤维的生产,而水刺法生产成本高,针刺法的使用最普遍最经济,且能满足活性碳纤维生产和产品性能要求。PAN-ACF系列产品从理论上讲可以有以下几种制造工艺(见图3),本实验采用以下3种工艺来开发PAN-ACF制品。(1)大丝束ΡAΝF预氧化→PANF−→−−预氧化大丝束ΟΡAΝF碳化、活化→OPANF−→−碳化、活化大丝束ΡAΝF-ACF深加⌶→ΡAΝ-ACFPANF−ACF−→−−深加⌶PAN−ACF产品(2)大丝束ΡAΝF预氧化→PANF−→−−预氧化大丝束ΟΡAΝF→OPANF−→−−−中长ΟΡAΝF深加⌶→ΟΡAΝFOPANF−→−−深加⌶OPANF制品碳化、活化→ΡAΝ-ACF制品(3)大丝束ΡAΝF→中长ΡAΝF深加⌶→ΡAΝF制品预氧化→ΟΡAΝF制品碳化、活化→ΡAΝ-ACF制品图3PAN-AC3种制造工艺流程2.2针刺下针刺高热定型成毡本研究非织造布生产过程为:纤维原料(PANF、OPANF、PAN-CF、VF)→一次梳理→二次梳理→成网→叠网→上针刺→下针刺→高热定型→成毡我们采用的非织造布生产设备是棉型梳棉机,原料纤维采用中长纤。大丝束PANF和大丝束OPANF用手工方法将其剪切为51～65mm的中长纤维,其纤维长度随机分布。PAN一ACF性能较脆,所以直接采用大丝束喂入。鉴于条件有限,针刺工序采用手工针刺,经过针刺的毡再经高压蒸气热定型,以使产品机械性能及尺寸稳定性更好,表面更平整。2.3鼓入炉内空气预氧化工序采用间歇式预氧化炉。以一定的升温速度升温至一定的温度(473～573K)后,恒温预氧化30～60min。在加热的同时向炉腔内通入一定量的空气。鼓入炉内的空气不仅供给预氧化反应所需要的氧和带走反应热,而且可带走反应副产物,促进预氧化反应的进行。在预氧化阶段,原丝会产生物理收缩(4%～16%)和化学收缩(14%～35%)。为了尽可能消除收缩产生的不良影响,保持主链结构对纤维轴的择优取向,我们对预氧丝进行积极的控制,从而控制其收缩率。2.4pan-acf毡的制备本研究采用碳化、活化同步装置进行。在室温下,将预氧化毡送入炉腔内,然后以一定量N2为保护气,采用不同的升温速度升温,从700℃开始通入水蒸气,到达预定温度时,恒温活化20～40min,然后自然冷却至室温,即得PAN-ACF毡。根据ACF吸附性能,筛选出最佳活化工艺。3结果与讨论3.1生长聚合纤维网制备工艺使用AS181A型梳棉试验机进行可纺性试验,试验结果分5个等级:即A.纤维网很清晰,无下列疵点:破边、破洞、挂花、棉球、淡云斑。B.纤维网清晰,但有下列疵点:淡云斑、挂花时有出现,稍有破边。C.纤维网不清晰、严重云斑、连续出现挂花、严重破边、有破洞并兼有淡云斑、时有断网。D.不能连续成网,但能梳出小片段纤维网。E.不能成网。从上述实验结果可以看出:(1)PAN-CF不能用于制毡或非织造布生产。其主要原因是PAN-CF尽管强度高,但模量也高,属于脆性材料,在断裂过程中没有塑性流变特性。(2)PANF原丝由于可纺性差,用于非织造布生产也是困难的。(3)OPANF其柔软性更好些,有一定的可纺性,可用于非织布生产,只是由于其固有缺陷,所以成毡均匀度较差。(4)为了改善PANF的可纺性,我们将其与粘胶丝混纺。选择粘胶丝的原因主要是粘胶纤维本身可以制成具有优异吸附性能的粘胶基活性碳纤维,其制备工艺类似于PAN-ACF的制备;而且粘胶丝具有优良的可纺性能,与PANF混纺可大大改善PANF的可纺性能。本实验表明,粘胶与PANF混纺比为20:80即可制出均匀度较好的毡,而且不使用任何油剂,避免了油剂对ACF吸附性能的影响。3.2预氧化和鼓风量正交实验我们按照前述的预氧化方法,对PANF非织造布进行预氧化处理,初始温度为293K,升温速率为10K/min。对影响处理效果的3个因素:预氧化温度(A)、预氧化时间(B)、鼓风量(C)做了3因素4水平正交实验(略)。由试验结果可见,因素A对OPANF含水率有极显著影响,是工艺的主要因素,而因素B是次要因素,因素C影响最小,可任取。这种情况符合我们生产的实际情况,达不到一定温度是难以预氧化的。最佳方案为氧化温度为523K、预氧化时间为50min、鼓风量为1000ml/min。实验也证明,在此工艺下生产的OPANF含水率为8.02%。与我们所用由吉林碳纤维厂提供的OPANF含水率基本相同。3.3acf碘吸附碘最佳工艺选择试验结果用原料为OPANF毡,采用前述方法及装置,对影响ACF吸附性能的4个因素:活化温度(A)、活化时间(B)、水蒸气量(C)、升温速率(D)作了4因素4水平试验。由试验结果可知,因素A对ACF碘吸附值有极显著影响,是工艺的主要因素;因素B、C对ACF碘吸附值有显著影响,是工艺的次主要因素;因素D影响不显著,可任取。ACF的生产工艺常需根据产品的性能需求来定。所以,根据经验,在兼顾吸附性能和收率的情况下,我们选用最佳方案为活化温度1123K、活化时间40min、水蒸气量8.30g/min、升温速率10.0K/min为最佳工艺。实验证明,在此工艺下所制备的ACF碘吸附值为1092mg/g,收率为28.06%。3.4不同介质对双抗菌纤维复合复合毡吸附性能的比较为了探索用VF/PANF毡经预氧化、碳化活化制取ACF毡的可能性,我们对制得的VF/PANF预氧化毡在活化温度1123K、活化时间(40min)、水蒸气量(8.3g/min)、升温速率(10K/min)工艺下活化。所得的ACF毡吸附性能与收率和相同条件下由OPANF毡所制的ACF毡的吸附性能与收率相比较,见表3。从表3可知,由VF/PANF所制得的ACF吸附性能略低于单纯用OPANF所制的ACF。分析其原因,是因为粘胶基ACF吸附性能虽然优于PAN-ACF,但其制备工艺较PAN-ACF复杂,需添加多种助剂,