本发明专利技术涉及一种用γ射线辐照制备聚丙烯腈碳纤维的方法，包括：将聚丙烯腈纤维在空气、真空或惰性气氛中进行合适剂量的γ射线辐照，产生部分环化、交联结构，然后在空气气氛下进行0～100min的热氧稳定化，使其充分的环化和交联，进而经低温碳化和高温碳化处理制备高性能碳纤维。本发明专利技术在热稳定化之前进行预辐照处理，不仅能够缩短热稳定化时间、提高生产效率，而且能够使聚丙烯腈分子形成结构规整的耐热性强的刚性结构，在热稳定化过程中能够施加更高的刚性牵伸，有助于提高碳纤维中类石墨层片取向程度，制备高性能碳纤维。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于聚丙烯腈碳纤维的制备领域，特别涉及一种用Y射线辐照制备聚丙 烯腈碳纤维的方法。
技术介绍
聚丙烯腈（PAN)基碳纤维具高有强度、高模量、密度小、耐高温等优异性能，被广 泛应用在航天、国防科技等领域以及体育、交通、建筑、压力容器、风力发电等民用领域，成 为当今世界碳纤维发展的主流，占碳纤维市场的90%以上。 碳纤维前驱体在碳化之前，要经过热稳定化处理，也称为预氧化，以得到具有梯形 结构不熔不燃的耐热稳定结构，从而保证碳化过程的顺利进行，进而得到高性能的碳纤维。 然而，尽管PAN原丝的分子取向度通过高温水蒸气牵伸等手段可以达到90%以上，但是由 于其柔性链分子的特点，在热稳定化过程中会因分子链热收缩而产生解取向，影响最终碳 纤维的力学性能。为了抑制这种热收缩引起的解取向作用，目前的做法是在碳纤维前驱体 进行热氧稳定化过程中，同时施加适当的刚性牵伸。专利201110079058. 6提出首先将聚丙 烯腈原丝在惰性气氛下进行预环化，然后在惰性气体和水蒸气气氛下进行环化塑性牵伸， 最后在空气气氛中进行充分氧化交联得到预氧化纤维，从而提高预氧化纤维的取向程度。 但是聚丙烯腈分子在惰性气体的热处理过程中，完全避免分子链的解取向是不可能的。也 就是说，当热处理温度高于聚丙烯腈的玻璃化转变温度（TgPAN~ 80°C)，高取向的分子链就 会由于熵恢复的作用产生收缩应力导致纤维收缩。因此，如果能够使聚丙烯腈在玻璃化转 变温度以下发生氰基的环化和交联，产生半刚性结构，那么就会有效抑制PAN分子在热稳 定化过程中的轴向收缩。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用y射线辐照制备聚丙烯腈碳纤维的方 法，本专利技术在热稳定化之前进行预辐照处理，不仅能够缩短热稳定化时间、提高生产效率， 而且能够使聚丙烯腈分子形成结构规整的耐热性强的刚性结构，在热稳定化过程中能够施 加更高的刚性牵伸，有助于提高碳纤维中类石墨层片取向程度，制备高性能碳纤维。 本专利技术的一种用Y射线辐照制备聚丙烯腈碳纤维的方法，包括： (1)将聚丙烯腈纤维原丝在空气、真空或惰性气氛保护下进行y射线辐照，得到 辐照处理的纤维； (2)常压条件下，将上述辐照处理的纤维进行热稳定化处理，得到聚丙烯腈热稳定 化纤维； (3)将聚丙烯腈热稳定化纤维在氮气氛围中进行低温碳化，温度为300-900°C，时 间为l-20min，然后再在氮气氛围中进行高温碳化，温度为1300°C，时间为0. 5-4min，整个 碳化过程张力控制在5-150MPa，即得聚丙烯腈碳纤维。 所述步骤（1)中聚丙烯腈纤维原丝为含有丙烯腈质量百分数高于90%的聚丙烯 腈纤维原丝。 所述步骤（1)中聚丙烯腈纤维为可作为碳纤维前驱体的聚丙烯腈纤维原丝。 所述步骤⑴中聚丙烯腈纤维原丝中含有丙烯酰胺共聚物、甲基丙烯酸甲酯共聚 物中的一种。 所述步骤（1)中惰性气氛为氮气、氦气、氩气、二氧化碳中的一种或几种。 所述步骤（1)中y射线辐照具体为：辐射源是6°c〇y射线，辐射剂量为1〇~ lOOOkGy，辐射剂量率为0? 01~10kGy/h。 所述步骤（2)中热稳定化处理具体为：温度为150-300°C，气氛为空气气氛，张力 控制在0~60MPa，处理时间为0~lOOmin。 所述步骤（2)中热稳定化处理在连续热反应炉中进行。 所述步骤（3)中低温碳化过程张力控制为5~30MPa;高温碳化张力控制为10~ 150MPa〇 本专利技术将聚丙烯腈纤维在空气、真空或惰性气氛中进行合适剂量的Y射线辐照， 产生部分环化、交联结构，然后在空气气氛下进行0~l〇〇min的热氧稳定化，使其充分的环 化和交联，进而经低温碳化和高温碳化处理制备高性能碳纤维。有益效果 本专利技术在聚丙烯腈纤维热稳定化之前进行y射线辐照处理，可以使聚丙烯腈分 子在Tg以下发生部分环化和交联，形成半刚性结构，称之为"冷交联"，进而在含氧热处理过 程中使之充分环化交联，这样不仅能够缩短稳定化时间、提高生产效率，而且在热稳定化过 程中能够施加更高的刚性牵伸，有助于提高碳纤维中类石墨层片取向程度，制备高性能碳 纤维。【具体实施方式】 下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术 而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。 实施例1 选取3K(即3000根单丝数/束）含丙烯酰胺共聚物的聚丙烯腈原丝（记为：原丝 A)，首先在空气气氛中进行6°CoY射线辐照，辐照剂量率lkGy/h，辐照时间50h，总的辐照剂 量为50kGy，得到辐照改性的"冷交联"聚丙烯腈纤维。然后对辐照改性的聚丙烯腈纤维在 空气介质中进行200 °C、220 °C、235 °C、250 °C和280 °C五个温度区间的热稳定化处理，每个 温区的停留时间为15min，共计75min。张力控制如下：第一、二温度区间张力控制为30MPa， 第三温区张力控制为24MPa，第三温区张力控制为30MPa。即得热稳定化纤维。将热稳定化 纤维在氮气保护下，400 °C、450 °C、600 °C和850 °C温度下进行低温碳化，停留时间为15min， 张力控制为12MPa;最后进入1300°C的高温碳化炉，停留时间为2min，张力控制在30MPa。 分别将辐照改性纤维、热稳定化纤维及碳纤维剪碎成粉末状，采用差示扫描量热 (DSC)及X射线衍射仪（XRD)分析纤维的环化度及取向程度；将制备的碳纤维用环氧树脂 E-51/丙酮/三乙烯四胺（10: 7:1)液体采用自制纤维复丝上胶机固化制备成碳纤维复丝样 条，再根据GB3362-82对碳纤维样品进行力学性能测试。 按照上述步骤制备的纤维样品结构性能参数列于表1。 实施例2 纤维样品同实施例1，首先在空气气氛中进行6°CoY射线辐照，辐照剂量率lkGy/ h，辐照时间100h，总的辐照剂量为lOOkGy，得到辐照改性的"冷交联"聚丙烯腈纤维。然 后对辐照改性的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行200 °C、220 °C、235 °C、250 °C和280 °C五 个温度区间的热稳定化处理，每个温区的停留时间为12. 5min，共计60min。张力控制如 下：第一、二温度区间张力控制为35MPa，第三温区张力控制为26MPa，第三温区张力控制为 351〇^。即得热稳定化纤维。将热稳定化纤维在氮气保护下，400°〇、4501：、6001：和850°〇温 度下进行低温碳化，停留时间为12. 5min，张力控制为12MPa;最后进入1300°C的高温碳化 炉，停留时间为1. 7min，张力控制在30MPa。其他步骤同实施例1。 实施例3 纤维样品同实施例1，首先在空气气氛中进行6°C〇y射线辐照，辐照剂量率2kGy/ h，辐照时间100h，总的辐照剂量为200kGy，得到辐照改性的"冷交联"聚丙烯腈纤维。然 后对辐照改性的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行200 °C、220 °C、235 °C、250 °C和280 °C五 个温度区间的热稳定化处理，每个温区的停留时间为llmin，共计55min。张力控制如本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用γ射线辐照制备聚丙烯腈碳纤维的方法，包括：(1)将聚丙烯腈纤维原丝在空气、真空或惰性气氛保护下进行γ射线辐照，得到辐照处理的纤维；(2)常压条件下，将上述辐照处理的纤维进行热稳定化处理，得到聚丙烯腈热稳定化纤维；(3)将聚丙烯腈热稳定化纤维在氮气氛围中进行低温碳化，温度为300‑900℃，时间为1‑20min，然后再在氮气氛围中进行高温碳化，温度为1300℃，时间为0.5‑4min，整个碳化过程张力控制在5‑150MPa，即得聚丙烯腈碳纤维。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吕永根，赵卫哲，周良霄，蒋俊祺，王菁，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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