一种高性能聚丙烯腈基碳纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高性能聚丙烯腈基碳纤维的制备方法。具体地，本发明专利技术公开了一种聚丙烯腈原丝的预处理试剂及采用所述试剂的预处理方法，所述试剂包含油剂和五硼酸铵。所述方法能够有效缩短预氧化时间，并大幅提高最终碳纤维的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。具体地，本专利技术公开了一种聚丙烯腈原丝的预处理试剂及采用所述试剂的预处理方法，所述试剂包含油剂和五硼酸铵。所述方法能够有效缩短预氧化时间，并大幅提高最终碳纤维的力学性能。【专利说明】
本专利技术涉及碳纤维制备
，具体涉及，更具体地涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的氧化前预处理方法。
技术介绍
碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等众多优异性能，已在航空航天、国防军工以及民用工业的各个领域得到广泛应用。按原料路线，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、浙青基和粘胶基三大类型。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。预氧化工艺是PAN基碳纤维制备过程中承前(PAN原丝)启后(碳纤维)至关重要的一步。在预氧化过程中，PAN原丝发生一系列复杂的物理化学变化，转变为耐热的稳定化结构，从而使其在高温炭化阶段能够不熔不燃、保持纤维形态。预氧化工艺不但影响最终碳纤维的性能，还决定碳纤维的成本。通常预氧化工艺所需的处理时间一般至少在60分钟以上。因此，为了保证足够的预氧化处理时间，不得不降低丝束运行速度，从而导致碳纤维的生产效率大幅降低、生产成本急剧上升。耗时长的预氧化工艺已成为制约碳纤维生产效率提闻的瓶颈。为了缩短预氧化时间，提高碳纤维的生产效率，有很多专利和文献报道采用化学改性的方法在预氧化前对PAN原丝进行预处理。如申请号为CN200910234656.9的中国专利在PAN原丝预氧化前，将其置于重量百分比浓度为5?15%的高锰酸钾(KMNO4)溶液中浸溃处理I?10分钟。除了 KMNO4外，还有文献报道采用 K2Cr207、CuCl、CoCl2, SnCl4, ZnCl2 等(BajajP, ROOpanwal A K.Thermalstabilization of acrylic precursors for the production of carbon fibers:Anoverwiew, Polymer Reviews, 1997, 37 (I):97-147.)。但是，由于这些改性剂都含有金属离子，在高温炭化时会逸出或发生氧化烧蚀，导致碳纤维的力学性能和耐烧蚀性能降低。因此，最好采用不含金属离子的改性剂。目前，仍然在寻找一种有效预处理方法或试剂，以助于更好地缩短预氧化时间，提高碳纤维的生产效率及其力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的聚丙烯腈原丝预氧化前改性方法的不足，提供一种新的聚丙烯腈原丝预氧化前处理方法，所述方法能够有效缩短预氧化时间，并大幅提高最终碳纤维的力学性能。在本专利技术第一方面中，提供了一种聚丙烯腈碳纤维原丝的预氧化前的预处理试齐U，包含油剂和五硼酸铵。在另一优选例中，所述预处理试剂包含油剂、五硼酸铵和水。在另一优选例中，所述预处理试剂由油剂、五硼酸铵和水组成。在另一优选例中，所述的油剂选自下组:氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性娃油、或其组合。在另一优选例中，按预处理试剂总重量计，所述的油剂的重量百分比为0.1?10%。在另一优选例中，按预处理试剂总重量计，所述的五硼酸铵的重量百分比为0.1 ?10%。在本专利技术第二方面中，提供了一种聚丙烯腈碳纤维原丝的预氧化前的预处理方法，包括步骤:用本专利技术第一方面所述的预处理试剂处理聚丙烯腈碳纤维原丝，从而得到经预处理的聚丙烯腈碳纤维原丝。在另一优选例中，将聚丙烯腈碳纤维原丝通过一个装有本专利技术第一方面所述的预处理试剂的浴槽，从而得到经预处理的聚丙烯腈碳纤维原丝。在另一优选例中，所述的预处理在一定温度下进行，所述的温度为10?80°C。在另一优选例中，所述的温度为10?60° C ;较佳地为20?50°C。在另一优选例中，所述的预处理需进行一段时间，所述的时间为0.1?lOmin。在另一优选例中，所述的时间为0.1?5min ;较佳地为0.1?2min。在本专利技术第三方面中，提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括步骤:(I)将聚丙烯腈碳纤维原丝通过一个装有本专利技术第一方面所述的预处理试剂的浴槽，从而得到经预处理的聚丙烯腈碳纤维原丝；(2)将前一步骤得到的经预处理的聚丙烯腈碳纤维原丝进行预氧化处理，从而得到经预氧化的聚丙烯腈碳纤维原丝；(3)将前一步骤得到的经预氧化的聚丙烯腈碳纤维原丝进行低温炭化处理，从而得到经低温炭化的聚丙烯腈碳纤维原丝；和(4)将前一步骤得到的经低温炭化的聚丙烯腈碳纤维原丝进行高温炭化处理，从而得到经高温炭化的聚丙烯腈碳纤维。在另一优选例中，所述的聚丙烯腈基碳纤维具有以下特性:拉伸强度为4?6GPa(优选5?6GPa)，和/或拉伸模量为250?580GPa (优选280?580GPa)。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。【具体实施方式】本专利技术人通过长期而深入的研究，意外地发现一种包含油剂和五硼酸铵的聚丙烯腈原丝的预处理试剂，采用所述试剂对聚丙烯腈原丝进行预处理，可有效缩短后续的预氧化时间，显著提高最终碳纤维的力学性能，且减少生产成本。在此基础上，专利技术人完成了本专利技术。本专利技术所述的油剂本专利技术所述的油剂为市售可得的本领域常用的各种油剂，如硅油，优选各种经不同基团改性的硅油，其中所涉及的改性方法也是本领域常用方法。更优选如(但不限于):氨基改性硅油、环氧改性硅油、聚醚改性硅油、或其组合。本专利技术所述的聚丙烯腈原丝预处理试剂本专利技术所述的聚丙烯腈原丝的预处理试剂至少含有油剂和五硼酸铵。优选地所述预处理试剂含有油剂、五硼酸铵和水。当然所述预处理试剂还含有其他适合聚丙烯腈原丝预处理的试剂。本专利技术所述的预处理试剂中，所述油剂和五硼酸铵等试剂的添加量可根据具体工艺需要而定，优选地，按预处理试剂总重量计，所述的油剂的重量百分比为0.1?10% ;所述的五硼酸铵的重量百分比为0.1?10%，其余为水。本专利技术所述的聚丙烯腈原丝预处理方法本专利技术所述的聚丙烯腈原丝预处理方法，可按如下步骤进行:在一定温度下，将聚丙烯腈原丝通过一个装有本专利技术所述的预处理试剂的改性浴槽，从而得到经预处理的聚丙烯腈原丝。所述的预处理的温度为10?80°C ;较佳地为10?60° C ;更佳地为20?50°C。所述的预处理的时间为0.1?IOmin ;较佳地为0.1?5min ;更佳地为0.1?2min。聚丙烯腈原丝碳纤维制备方法本专利技术所述的聚丙烯腈原丝碳纤维制备方法，可包括步骤:先使聚丙烯腈原丝通过一个含有本专利技术所述的聚丙烯腈原丝预处理试剂的改性浴槽，然后再依次进行预氧化处理、低温炭化处理、高温碳化处理等其它处理方法。其中，所述的预氧化处理、低温炭化处理、和高温碳化处理是本领域常规的方法，可以在常用的设备、装置或仪器中进行，如所述的预氧化是在本领域常用的预氧化炉中进行，所述的低温炭化处理或高温碳化处理均在本领域常用的炭化炉中进行等。优选地，本专利技术所述的聚丙烯腈原丝碳纤维制备方法，可包括如下步骤:(I)将聚丙烯腈碳纤维原丝通过一个装有本专利技术所述的预处理试剂的改性浴槽，从而得到经预处理的聚丙烯腈碳纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚丙烯腈碳纤维原丝的预氧化前的预处理试剂，其特征在于，包含油剂和五硼酸铵。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳琴，陈友汜，莫高明，黄显雯，马洪波，杨建行，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：