聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化方法技术

本发明专利技术涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化方法，包括以下步骤：１）对聚丙烯腈基碳纤维原丝从室温到５００℃进行差热分析，得到ＤＳＣ曲线；２）根据ＤＳＣ曲线确定以下温度点：初始温度点Ｔ０、第一温度点Ｔ１、第二温度点Ｔ２和第三温度点Ｔ３；３）从初始温度点Ｔ０到第一预氧化温度点ＴＡ处进行梯度升温预氧化，第一预氧化温度点ＴＡ＝Ｔ１－ΔＴ１，其中：ΔＴ１＝５～１０℃；接着将预氧丝在第二预氧化温度点ＴＢ处进行再次预氧化１～２ｍｉｎ；第二预氧化温度点ＴＢ＝Ｔ３－ΔＴ２，其中：ΔＴ２取值范围为１００～２００℃且小于Ｔ３－Ｔ２。本发明专利技术解决了现有预氧化方法预氧化程度不高的技术问题，本发明专利技术提高碳纤维力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化工艺，属于碳纤维的制备工艺领 域。
技术介绍
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，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，同时对碳化过程中焦油的产生量也有较大影响。聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化工艺中最终预氧化温度是根据原丝的DSC曲线 来确定的。一般来说，聚丙烯腈基碳纤维原丝的DSC曲线具有三个放热峰，如图1中所示的 峰1、峰2和峰3。现行工艺中最终预氧化温度基本都确定在原丝DSC曲线上峰1对应的峰 值温度之前，这种最终预氧化温度的确定标准导致聚丙烯腈基碳纤维预氧丝的预氧化程度 不高，进而会在碳化过程中产生较多的焦油量，不利于碳纤维生产过程的正常进行。
技术实现思路
为了解决现有预氧化程度不高的技术问题， 本专利技术提供了一种可以减少碳化过程中焦油产生量同时可以提高碳纤维力学性能的聚丙 烯腈基碳纤维原丝预氧化方法。本专利技术的技术解决方案是—种，其特殊之处在于包括以下步骤1对聚丙烯腈基碳纤维原丝从室温到500°C进行差热分析，得到DSC曲线；2根据DSC曲线确定以下温度点开始放热点所对应的初始温度点Ttl、第一峰值 所对应的第一温度点T1、第二峰值所对应的第二温度点T2和第三峰值所对应的第三温度点 T3;3从初始温度点Ttl到第一预氧化温度点Ta处进行梯度升温预氧化，所述第一预 氧化温度点Ta = T1-Δ T1，其中AT1取值范围为5 10°C ；接着将预氧丝在第二预氧化温 度点Tb处进行再次预氧化1 2min ；所述第二预氧化温度点Tb = T3- Δ T2，其中Δ T2取值 范围为100 200°C且小于T3-T20本专利技术所具有的优点采用本专利技术的预氧化工艺热处理后的聚丙烯腈基碳纤维原丝经过碳化处理后即可获得碳纤维。采用本专利技术提出的最终预氧化温度确定方法对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行 预氧化处理后，预氧丝中含氢量减小，碳化过程中焦油的产生量明显减少，同时制备出的聚 丙烯腈基碳纤维的抗拉强度和抗拉模量分别提高了约24%和19%。附图说明图1为聚丙烯腈基碳纤维原丝的典型DSC曲线。 具体实施例方式本专利技术涉及一种，其主要方法是将聚丙烯腈 基碳纤维原丝的最终预氧化温度点确定在原丝DSC曲线上峰2和峰3对应的峰值温度之 间。具体步骤如下将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到第一预氧化 温度点(T1-AT1),其中，AT1 = 5°C 101，1\为原丝DSC曲线上峰1对应的峰值温度；接 着将温度升高到第二预氧化温度点(T3-Δ T2,其中，AT2 = 100 200°C，且小于！^和！^两 者之间温度差，T2和T3为原丝DSC曲线上峰2和峰3对应的峰值温度，预氧化50 120s。 不同的原丝组分所对应的最终预氧化温度值可能有所不同，但是最终预氧化温度确定在原 丝DSC曲线上峰2和峰3对应的峰值温度之间。对本专利技术方法的验证1、对聚丙烯腈基碳纤维原丝从室温到500°C进行差热分析，得到DSC曲线；2、根据DSC曲线确定、开始放热点所对应的初始温度点Ttl、第一峰值所对应的第一 温度点T1、第二峰值所对应的第二温度点T2和第三峰值所对应的第三温度点T3 ；3、取一根聚丙烯腈基碳纤维原丝，从初始温度点Ttl到第一预氧化温度点Ta处进行 梯度升温预氧化，Ta = T1-AT1，其中AT1 = 5°C 10°C ；预氧化后获得的预氧丝在氮气气 氛中碳化到IOOiTC，获得第一聚丙烯腈基碳纤维；再取一根聚丙烯腈基碳纤维原丝，从初 始温度Ttl到第一预氧化温度点Ta处进行梯度升温预氧化，接着在第二预氧化温度点Tb处进 行预氧化1 2min，第二预氧化温度点Tb = T3-Δ T3,其中TB = T3-AT2, = 100 200°C， 且小于T3和T2两者之间温度差；将预氧化后获得的预氧丝在氮气气氛中在碳化到1000°C， 获得第二聚丙烯腈基碳纤维；4、比较第一聚丙烯腈基碳纤维与第二聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，得到第二聚 丙烯腈基碳纤维的力学性能优于第一聚丙烯腈基碳纤维，则得出最终预氧化温度位于T2和 T3之间。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。纺丝原液经凝固、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。该原丝的DSC曲线上峰1、峰2和峰3所对应的峰值温度分别约为280°C， 315°C禾口 500°C ο比较例将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到275°C，接着 预氧丝在氮气气氛中碳化到ioocrc获得聚丙烯腈基碳纤维。实施例1 将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到275°C，接着 温度升高到325°C预氧化lmin。预氧化后获得的预氧丝在氮气气氛中碳化到1000°C获得聚丙烯腈基碳纤维。实施例2 将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到275°C，接着 温度升高到350°C预氧化lmin。预氧化后获得的预氧丝在氮气气氛中碳化到1000°C获得聚 丙烯腈基碳纤维。实施例3 将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到275°C，接着 温度升高到375°C预氧化lmin。预氧化后获得的预氧丝在氮气气氛中碳化到1000°C获得聚 丙烯腈基碳纤维。实施例4 将聚丙烯腈基碳纤维原丝在空气气氛中梯度升温预氧化到275°C，接着 温度升高到400°C预氧化lmin。预氧化后获得的预氧丝在氮气气氛中碳化到1000°C获得聚 丙烯腈基碳纤维。表1是比较例和实施例获得的聚丙烯腈基碳纤维的拉伸力学性能以及预氧丝中 含氢量的测试结果。表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化方法，其特征在于：包括以下步骤：　　１】对聚丙烯腈基碳纤维原丝从室温到５００℃进行差热分析，得到ＤＳＣ曲线；　　２】根据ＤＳＣ曲线确定以下温度点：开始放热点所对应的初始温度点Ｔ↓［０］、第一峰值所对应的第一温度点Ｔ↓［１］、第二峰值所对应的第二温度点Ｔ↓［２］和第三峰值所对应的第三温度点Ｔ↓［３］；　　３】从初始温度点Ｔ↓［０］到第一预氧化温度点Ｔ↓［Ａ］处进行梯度升温预氧化，所述第一预氧化温度点Ｔ↓［Ａ］＝Ｔ↓［１］－ΔＴ↓［１］，其中：ΔＴ↓［１］取值范围为５～１０℃；接着将预氧丝在第二预氧化温度点Ｔ↓［Ｂ］处进行再次预氧化１～２ｍｉｎ；所述第二预氧化温度点Ｔ↓［Ｂ］＝Ｔ↓［３］－ΔＴ↓［２］，其中：ΔＴ↓［２］取值范围为１００～２００℃且小于Ｔ↓［３］－Ｔ↓［２］。

【技术特征摘要】
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化方法，其特征在于包括以下步骤1对聚丙烯腈基碳纤维原丝从室温到500℃进行差热分析，得到DSC曲线；2根据DSC曲线确定以下温度点开始放热点所对应的初始温度点T0、第一峰值所对应的第一温度点T1、第二峰值所对应的第二温度点T2和第三峰值所对应的第三温度点T3；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩静，李福平，刘福杰，范立东，王红飞，程璐，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]