[发明专利]聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化前处理工艺，属于碳纤维的制备工艺领域。

背景技术

碳纤维是有机纤维经一系列热处理后转化而成的含碳量在90％以上的新型碳材料。碳纤维不但具有高比强度和比模量、高导电性、低热膨胀系数、耐高温、抗腐蚀、抗蠕变以及自润滑等一系列优异的性能，还具有纤维的柔性和可编制性等特点，常作为先进复合材料的增强体，在航空航天、核能设备以及隐形武器等国防领域具有不可替代的作用，同时在土木建筑、交通运输以及体育休闲等民用工业领域也得到了广泛的应用。

碳纤维的制备工艺过程包括聚合、纺丝、预氧化和碳化，其中预氧化过程是碳纤维制备过程中结构转变的关键阶段，也是热处理过程中最耗时的阶段，其目的是使聚丙烯腈的线型大分子链转化为耐热的梯形结构，使其在碳化时不熔不燃，保持纤维形态。预氧化过程中原丝的结构转变在很大程度上决定着碳纤维的结构和性能。预氧化是一个双扩散过程，氧由表及里向纤维内部扩散。随着预氧化反应的进行，在原丝表层形成了致密的梯形结构，阻碍了氧向芯部扩散，造成纤维表层和芯部的结构以及性能产生明显差异，形成皮芯结构。皮芯结构是导致碳纤维抗拉强度降低的主要原因之一。因此，在预氧化过程中缩短预氧化时间，提高预氧化程度同时消除或降低皮芯结构对碳纤维生产成本的降低以及性能的提高具有十分重要的意义。

中国专利200910234656.9中表明可以采用预氧化前将聚丙烯腈基碳纤维原丝置于重量百分比浓度为5～15％的高锰酸钾溶液中浸渍处理1～10min的预氧化前处理工艺来达到降低预氧化温度、提高预氧化程度的目的。但是，采用高锰酸钾溶液对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行预氧化前处理时，有可能会在纤维中引入钾离子杂质形成缺陷，影响碳纤维的性能。同时，高锰酸钾是一种有毒的化学物质，采用高锰酸钾溶液对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行预氧化前处理时会带来环境污染等负面问题。

发明内容

为了解决现有的原丝预氧化前处理工艺影响碳纤维的性能、污染环境的技术问题，本发明提供一种可以缩短预氧化时间，消除皮芯结构同时对环境基本无污染的聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化前处理工艺。

本发明的技术解决方案是：

一种聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理工艺，其特殊之处在于：将需要预氧化的聚丙烯腈基纤维原丝在室温下置于臭氧水中浸渍1～10min，所述臭氧水中臭氧的含量为10～50mg/L。

上述聚丙烯腈基纤维原丝在室温下置于臭氧水中浸渍5min；所述臭氧水中臭氧的含量为30mg/L。浸渍完毕后，将聚丙烯腈基碳纤维原丝送入预氧化炉进行预氧化。

本发明所具有的优点：

1、采用本发明工艺对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行预氧化前处理后，其预氧化时间缩短，皮芯结构基本消除。

2、经过本发明工艺的处理，碳纤维的抗拉强度和抗拉模量分别提高了约30％和21％。

具体实施方式

一种聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理工艺，主要方法是将需要预氧化的聚丙烯腈基纤维原丝在室温下置于臭氧水中浸渍1～10min，其中臭氧水中臭氧的含量为10～50mg/L。

为了达到更好的处理效果，聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化前处理的优选工艺参数详见表1。

表1

  前处理参数  优选值  臭氧水中臭氧含量(mg/L)  30  浸渍处理时间(min)  5

浸渍完毕后，就可以将聚丙烯腈基碳纤维原丝送入预氧化炉进行预氧化。

举例说明：以丙烯腈为第一单体，衣康酸为共聚单体(质量分数为1％)，偶氮二异丁腈为引发剂，二甲基亚砜为溶剂，在氮气保护下进行聚合。聚合液经脱单、脱泡、过滤后获得纺丝原液。纺丝液经凝固、水洗、牵伸、致密化和热定型等一系列处理后获得聚丙烯腈基碳纤维原丝。