[發(fā)明專利]碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810036189.4
• 申請(qǐng)日: 2008-04-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101260575A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂永根;宋云鵬;楊常玲;秦顯營(yíng);周吉松;邴雪飛;潘鼎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): D01F9/22
• 分類號(hào): D01F9/22
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司
• 代理人: 翁若瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化方法，尤其涉及在連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐中先用惰性氣體保護(hù)進(jìn)行環(huán)化，再進(jìn)行氧化交聯(lián)的預(yù)氧化方法。

背景技術(shù)

碳纖維集高強(qiáng)度、高模量、低比重、耐高溫且熱膨脹系數(shù)小、耐化學(xué)腐蝕性和優(yōu)良的導(dǎo)電性能于一身，是高級(jí)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，在航空航天、國(guó)防軍事等尖端科技領(lǐng)域和交通運(yùn)輸工業(yè)、建筑工業(yè)、高級(jí)體育用品、醫(yī)療器械等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但我國(guó)的碳纖維不論是在原絲的質(zhì)量上還是在其氧化和炭化的技術(shù)上與國(guó)外的碳纖維強(qiáng)國(guó)都有非常大的差距。由于碳纖維在軍事和國(guó)防方面特殊的作用和地位，日本、美國(guó)等一些國(guó)家將碳纖維列為嚴(yán)格禁售產(chǎn)品，對(duì)碳纖維方面的技術(shù)資料進(jìn)行了嚴(yán)格的控制和封鎖，所以國(guó)外關(guān)于碳纖維技術(shù)資料報(bào)道很少。

目前文獻(xiàn)報(bào)道的碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化方法均為在空氣中對(duì)原絲進(jìn)行預(yù)氧化，同時(shí)施加適當(dāng)?shù)臓可炝Α＿@樣的方法一方面提高分子鏈沿纖維軸的取向，另一方面使聚丙烯腈纖維分子鏈之間形成耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，從而可以進(jìn)行高溫的炭化處理，制備高強(qiáng)度高模量的碳纖維。

上述方法的不足之處是，由于在預(yù)氧化過(guò)程中同時(shí)發(fā)生大分子鏈內(nèi)環(huán)化和分子鏈間的交聯(lián)，雖然施加牽伸力的作用，但不能更好的提高分子鏈沿纖維軸的取向，而且氧化交聯(lián)的作用在反應(yīng)過(guò)程中并不利于環(huán)化過(guò)程的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化方法，以克服上述的不足之處。所述方法使用的設(shè)備為連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐，整個(gè)連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐由下往上分為六個(gè)溫度段，第一到第五溫度段為連續(xù)預(yù)氧化過(guò)程，其中第一、第二溫度段為環(huán)化過(guò)程，第三、四、五為氧化交聯(lián)過(guò)程；第六溫度段為低溫炭化過(guò)程。聚丙烯腈纖維原絲的預(yù)氧化過(guò)程在第一到第五溫度段進(jìn)行；聚丙烯腈纖維原絲的低溫炭化過(guò)程在第六溫度段進(jìn)行。

本發(fā)明提供的一種碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈纖維預(yù)氧化的方法可更好的提高分子鏈沿纖維軸的取向，增強(qiáng)碳纖維的拉伸強(qiáng)度。

為達(dá)到上述目的，采取的技術(shù)方案是：使聚丙烯腈纖維原絲在常壓條件下依次連續(xù)通過(guò)連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐中分設(shè)的五個(gè)溫度段進(jìn)行預(yù)氧化：

第一、二溫度段為環(huán)化過(guò)程，通入氮?dú)猓瑫r(shí)間控制在40～80分鐘，第一、第二溫度段溫度分別為150～180℃、180～230℃，并在第二溫度段加入剛性牽伸。

所述剛性牽伸為-5％～10％。

第三、四、五溫度段為氧化交聯(lián)過(guò)程，通入空氣，時(shí)間控制在60～120分鐘，第三、四、五溫度段溫度分別為180～230℃、230～250℃、250～280℃；

第六溫度段為低溫炭化過(guò)程，通入氮?dú)猓兴膫€(gè)溫度區(qū)，其溫度分別為400℃、530℃、660℃、800℃，時(shí)間控制在20～40分鐘；

最后經(jīng)過(guò)張力架進(jìn)入高溫炭化爐進(jìn)行高溫炭化處理，溫度設(shè)置為1000-1600℃，爐體中通入氮?dú)饧右员Ｗo(hù)，纖維通過(guò)高溫炭化區(qū)的時(shí)間為6～15秒，制得碳纖維。

本發(fā)明的有益效果在于：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，對(duì)纖維進(jìn)行熱處理可以提高纖維反應(yīng)性，有利于環(huán)化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下施加剛性牽伸可以提高分子鏈沿纖維軸的取向程度，制得更高強(qiáng)度和更高模量的聚丙烯腈基碳纖維。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明設(shè)備和流程圖

1-卷繞機(jī)收絲；??6-連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐；

2-高溫炭化爐????7-氮?dú)鈿庠础?/p>

3-張力架????????8-抽風(fēng)焚燒廢氣

4-原絲??????????9-空氣

5-五輥調(diào)節(jié)；

具體實(shí)施方式

下列實(shí)施例中采用的原絲為國(guó)產(chǎn)的1K、或3K、或6K原絲(1000根單絲數(shù)/束＝1K，3000根單絲數(shù)/束＝3K)，首先經(jīng)過(guò)DSC分析(差示掃描量熱分析)，以確定合適的預(yù)氧化工藝指標(biāo)。實(shí)施例中，溫度通過(guò)控溫儀表進(jìn)行設(shè)置，在第二溫度段施加的剛性牽伸通過(guò)五輥(羅拉)5調(diào)節(jié)不同的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程為聚丙烯腈纖維原絲4在常壓條件下經(jīng)過(guò)五輥調(diào)節(jié)5，依次連續(xù)通過(guò)六個(gè)溫度段，當(dāng)走出連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐6后，經(jīng)過(guò)張力架3進(jìn)入高溫炭化爐2，走出高溫炭化爐2后，經(jīng)過(guò)卷繞機(jī)收絲1，原絲4成為卷筒裝高強(qiáng)度聚丙烯腈纖維，同時(shí)抽風(fēng)焚燒廢氣8防止空氣污染。

實(shí)施例1

使聚丙烯腈纖維原絲在常壓條件下依次連續(xù)通過(guò)連續(xù)預(yù)氧化-低溫炭化爐中分設(shè)的五個(gè)溫度段進(jìn)行預(yù)氧化：