[發明專利]一種通過物理共混提高聚丙烯腈纖維預氧化速度的方法

有效

• 申請號: 201410240740.2
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103993382A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 余木火;陳磊;劉淑萍;鄭穎;韓克清
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D01F8/08
• 分類號: D01F8/08;D01F8/18;D01F1/10;D01F11/06;D01F9/22;D01D5/08;D01D1/04;D01D5/14;D01D10/02
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達

技術領域

本發明屬于聚丙烯腈纖維改性領域，特別涉及一種通過物理共混提高聚丙烯腈纖維預氧化速度的方法。

背景技術

碳纖維生產的工業目標是降低成本，提高碳纖維性能和生產效率?？s短預氧化時間是降低碳纖維生產成本的關鍵，可是時間短會加重皮芯結構，炭化階段易產生較大空洞和缺陷，導致碳纖維力學性能降低。降低預氧化溫度和延長預氧化時間，預氧化纖維的皮芯結構不明顯，雖利于提高碳纖維性能，卻又降低生產效率。因此至今仍未研究出優異的預氧化工藝。目前文獻報道的碳纖維前驅體聚丙烯腈原絲預氧化方法均為在空氣中對原絲進行預氧化。即聚丙烯腈基碳纖維都是按照紡絲、預氧化、碳化三大工藝過程來完成的，但是按照這種工藝順序會產生一些缺點：其一，在聚丙烯腈原絲預氧化過程中，如果纖維橫向斷面預氧化程度有梯度差異，引起纖維形態結構不均勻，如常見的皮芯結構，會在纖維斷面上沿纖維徑向造成不均勻的收縮，擇優取向較差，拉伸性能下降，導致最終碳纖維性能下降；其二，預氧化過程耗時較長，溫度較高，預氧化工藝設備復雜，這就使得預氧化過程的成本提高，導致最終整個碳纖維生產過程的成本大大提高。預氧化過程是雙擴散歷程，氧由纖維表及里擴散。隨著預氧化反應的進行，首先在纖維的表層形成了致密的梯形結構薄層，阻礙氧向內擴散，形成了皮芯結構，使碳纖維產生缺陷。目前，國內外學者對聚丙烯腈原絲預氧化過程的研究大多集中在預氧化條件(通氣量、溫度)的控制，而從原絲著手研究的越來越少。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種通過物理共混提高聚丙烯腈纖維預氧化速度的方法，該方法紡絲工藝簡單、過程易于控制，原料木質素便宜易得，而且此方法還避免了大量有毒或腐蝕性化學溶劑的使用，不但節約溶劑消耗，而且省去了生產過程中的“三廢”處理，可以大大降低生產成本，同時還消除了由于使用溶劑而引起的環境污染問題。

本發明的一種通過物理共混提高聚丙烯腈纖維預氧化速度的方法，包括：

(1)將聚丙烯腈、木質素與增塑劑真空干燥后，混合混勻，得到混合物料，然后進行紡絲，定型，卷繞，得到聚丙烯腈熔紡纖維；其中聚丙烯腈、木質素、增塑劑的質量比為5-30:10-30:50-70；

(2)然后將上述聚丙烯腈熔紡纖維進行水浴牽伸，水洗的過程順便除去離子液體預氧化，得到聚丙烯腈預氧化纖維。

所述步驟(1)中木質素為堿木質素、硫酸鹽木質素、牛皮紙木質素、乙酸木質素、酶解木質素中的一種。

所述步驟(1)中增塑劑為固體狀離子液體。

所述步驟(1)中真空干燥溫度為60-70℃，真空干燥時間為12-24h。

所述步驟(1)中混合均勻在高速旋轉混料機中混勻。

所述步驟(1)中紡絲為混合物料在雙螺桿紡絲機的密閉料斗中，140-220℃條件下共混熔融，進行紡絲。

所述配料和紡絲環境的空氣濕度保持在5％-10％，以免水分的加入影響紡絲效果。

所述步驟(1)中定型為通過30-35℃熱空氣定型。

所述步驟(1)中卷繞速度為100-800m/min。

所述步驟(2)中水浴牽伸的水浴溫度為20-100℃，總牽伸倍數為2-10倍。

所述步驟(2)中預氧化為管式爐中通入空氣進行預氧化，空氣流量為3-10L?min^-1，預氧化溫度在160-290℃，預氧化時間為30-40min。

所述步驟(2)中聚丙烯腈熔紡纖維的拉伸強度為3.0-14.0cN/dtex，纖維截面為圓形，皮芯差異小、纖維結構致密均勻。

所述步驟(2)中得到的聚丙烯腈預氧化纖維的纖維截面為圓形，皮芯差異小，纖維結構致密均勻。

生物質的木質素含有大量的官能團：芳香核、酚基和羰基、醇羥基、乙烯基、苯甲醇、烷基醚鍵、芳基醚鍵等，由于酚基、醇羥基的存在，使得木質素能夠與極性的高分子材料具有較強的氫鍵結合能力；同時由于這些官能團的存在，木質素具有較高的氧含量，在受熱過程中能夠釋放出來，為聚丙烯腈的預氧化提供比較均勻的氧源，促進預氧化的進行，制得預氧化纖維皮芯差異小，結構致密均勻。

有益效果

(1)本發明是采用物理共混的方式，紡絲工藝簡單、過程易于控制，原料木質素便宜易得，而且此方法還避免了大量有毒或腐蝕性化學溶劑的使用，不但節約溶劑消耗，而且省去了生產過程中的“三廢”處理，可以大大降低生產成本，同時還消除了由于使用溶劑而引起的環境污染問題；