[发明专利]聚丙烯腈基大丝束碳纤维制备方法

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈基大丝束碳纤维制备方法，主要解决现有技术中存在的热稳定化过程能耗高、放热集中、纤维易断裂、最终产品性能差的问题。通过采用一种聚丙烯腈纤维的制备方法，包括将聚丙烯腈纤维束通过辐照剂量率10～10000Gy/s的辐照装置，在0.9‑1.1的牵伸倍率下，经过10～2000KGy辐照剂量的辐照处理的步骤的技术方案，较好地解决了该问题，可用于聚丙烯腈基大丝束碳纤维制备过程的工业生产中。

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基大丝束碳纤维的辐照改性热稳定化制备方法，能有效减少热稳定化过程的环化放热量和时间、降低能耗。

技术背景

碳纤维是指含碳量在92％以上的、由聚合前驱体或碳的同素异形体单元构成的无机高分子纤维，属于典型的高性能纤维。它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、导电和比重小等优点，这些优点使得它广泛应用在汽车、飞行器、轨道交通、风力发电、体育器材等领域。碳纤维按原丝分为聚丙烯腈基、沥青基和粘胶基碳纤维，其中大部分商用的为聚丙烯腈基碳纤维。在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中，热稳定化过程是最为关键和最耗时耗能的步骤，它是一个涉及环化、脱氢和氧化交联的放热反应。

碳纤维有大小丝束之分。其中大于等于48K的为大丝束碳纤维。小丝束碳纤维主要应用于国防军工领域，而由于低成本优势，工业领域更多的需要大丝束碳纤维。在大丝束的生产过程中，最主要的问题是热稳定化时的放热集中问题。大丝束原丝热稳定化时起始温度较高，反应热集中，反应时间长，耗能耗时；由于根数多，热量不易散出，很容易发生熔融并丝、断裂甚至自燃。因此，减少大丝束原丝的热稳定化过程放热量和时间显得十分必要。目前，采用共聚单体方式来减小原丝热稳定化的起始温度，以达到控制的目的，但是只能减缓放热，不能减少热量放出，依然不能有效解决大丝束原丝的放热集中问题。

辐照是利用放射性元素的辐射去改变分子结构的一种化工技术，在工业上可以对高分子进行改性，使之形成网状结构，增强材料的热稳定性、阻燃性和化学稳定性等。韩国的Sejoon Park等人发表了一些论文(Scientific Reports,2016,6,27330；Carbon,2017,118,106)，介绍了电子束辐照对小丝束聚丙烯腈原丝的辐照机理和效果。通过在热稳定化之前对原丝进行辐照，可以有效地阻止丝的熔融，在达到同等程度的条件下大幅度缩短热稳定化的时间。此外，这种方法还可以减小环化反应的起始温度和峰值温度。王谋华等人发表的《一种用γ射线辐照使聚丙烯腈改性的方法》(专利号：CN101798392 B)和《一种用电子束辐照使聚丙烯腈纤维改性的方法》(专利号：CN101798747 B)，介绍了辐照对小丝束聚丙烯腈纤维的改性效果，可以降低环化反应热，加快热稳定化速度。

现有的技术方案可以提高热稳定化的速度，降低放热量，但是仅仅停留在对小丝束纤维原丝的研究，间歇辐照且无牵伸。本发明通过在热稳定化之前对大丝束原丝进行连续辐照处理并施加牵伸，可用于聚丙烯腈基大丝束碳纤维制备过程的工业生产中。

发明内容

本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中存在的热稳定化过程能耗高、放热集中、纤维易断裂、最终产品性能差的问题。提供一种聚丙烯腈纤维的制备方法，具有热稳定化过程能耗低、放热缓和、纤维不易断裂、最终产品性能优的特点。

本发明主要解决的技术问题之二是提供一种聚丙烯腈纤维，由解决技术问题之一所述的制备方法制得。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈纤维的制备方法，包括将聚丙烯腈纤维束通过辐照剂量率10～10000Gy/s的辐照装置，在0.9-1.1的牵伸倍率下，经过10～2000KGy辐照剂量的辐照处理的步骤。

上述技术方案中，所述的辐照处理的牵伸倍率为1-1.05。

上述技术方案中，所述辐照处理的温度小于等于60℃。

上述技术方案中，所述辐照处理的时间小于等于120min。