[发明专利]一种聚丙烯腈基碳纤维原丝预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预处理方法。

背景技术

碳纤维是一种新型的碳材料，具有很多优异的性能，如高拉伸强度及高弹性模量，可以耐高温和低温，而且耐酸耐腐蚀性非常好，现已被广泛应用于航空航天领域、土木建筑领域、工业领域及休闲娱乐领域。制备碳纤维的常见原料分为三种：聚丙烯腈原丝，粘胶基原丝及沥青基原丝，其中聚丙烯腈基原丝应用最为广泛，而且常被用来制备高性能碳纤维。

碳纤维的制备过程可以分为三个阶段：预氧化阶段，碳化阶段，石墨化阶段。在预氧化阶段原丝发生了分子内环化反应，原来的线性结构转化为了耐火的梯形结构，防止了原丝在后续的升温过程中熔融粘结。原丝环化起始温度很高，预氧化过程工业耗能很大，而且在预氧化过程中放出了大量的反应热，使原丝容易发生熔融粘结现象。

Ismail Karacan^[1]等人用乙二胺溶液对原丝进行预处理，环化反应起始温度相对于原丝降低了6-8 °C，环化反应放热量也明显降低；专利文献报道用Gamma-射线^[2]、电子束^[3, 4]、紫外辐射^[5]等高能辐射来预处理原丝，降低环化反应起始温度，减少预氧化过程放热量；很多含有锰，钴，铜等金属元素的无机盐也可用来对原丝进行预处理，是环化起始温度降低，预氧化过程放热量减缓。

但是这些预处理方法存在着一定的不足之处，就是在预处理过程中会造成重金属污染、有机试剂污染以及辐射危害。

[1] Ismail Karacan; Gulhan Erdogan. Polymer Engineering and Science 2012, 52, 467-480

[2] 王谋华，吴国忠，刘伟华. 一种用γ射线辐照使聚丙烯腈改性的方法: 中国, 200910200308. X [P]. 2009-12-11

[3] 王谋华，吴国忠，刘伟华. 一种用电子束辐照使聚丙烯腈纤维改性的方法: 中国, 201010108710.8 [P]. 2010-02-10

[4] J. Dietrich; P. Hirt; H. Herlinger. Eur. Polym. J. 1996, 32, 617-623。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预处理方法，该方法操作简单，无重金属污染与辐射污染，可以有效地降低工业耗能。

本发明提出的聚丙烯腈基碳纤维原丝的预处理方法，具体步骤包括：

（1）将聚丙烯腈（PAN）原丝在质量百分比浓度为7%-25%的氨基酸溶液中浸泡10-30 min，浸泡温度为25-85 ℃；

（2）将上述浸泡后的原丝晾干，然后在空气氛围下进行氧化，温度从室温升至350-400 ℃；氧化时间控制在0.5-1 h。 

所述步骤（1）中氨基酸包括赖氨酸或精氨酸等。

赖氨酸或精氨酸中的氨基具有亲核性，可以进攻腈基上的碳，促进分子内的环化反应，降低环化反应起始温度，同时氨基酸中的羧基可以起到增塑的作用，使纤维更易拉伸。

有益效果：

本发明的方法简单，降低了环化反应起始温度，可以到达降低工业耗能的目的；减少了预氧化过程放热量，可以有效地防止后续升温过程中原丝的熔融粘结现象。

具体实施方式

比较例1：将未经氨基酸溶液预处理过的PAN原丝在空气氛围下进行预氧化，温度从室温升至350℃，预氧化时间控制在0.5 h左右；

按上述步骤得到的聚丙烯腈环化起始温度为235.0℃，预氧化放热量为1124 J/g。

实施例1.1 

将PAN原丝于质量百分比浓度7%的赖氨酸溶液中浸泡10min，浸泡温度为55℃，然后常温常压下晾干；

将处理过的PAN原丝在空气氛围下进行预氧化，温度从室温升至350℃，预氧化时间控制在0.5h左右；

按上述步骤得到的聚丙烯腈环化起始温度为225.3℃，预氧化放热量为1072 J/g。

实施例1.2

将PAN原丝于质量百分比浓度7%的赖氨酸溶液中浸泡30min，浸泡温度为55℃，然后常温常压下晾干；

将处理过的PAN原丝在空气氛围下进行预氧化，温度从室温升至350℃，预氧化时间控制在0.5h左右；

按上述步骤得到的聚丙烯腈环化起始温度为151.7℃，预氧化放热量为891.8J/g。