[发明专利]一种用电子束辐照使聚丙烯腈纤维改性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用电子束辐照使聚丙烯腈纤维改性的方法，尤其涉及一 种制造碳纤维用聚丙烯腈纤维的改性方法。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)纤维经加热环化处理或空气加热氧化交联可以制备环 化、交联聚丙烯腈产品，这类产品是优质的阻燃材料，并衍生出一系列下游 产品，其中最重要的是聚丙烯腈基碳纤维。众所周知，碳纤维性能优异，广 泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及交通运输、土木建筑、高级体 育用品、医疗用品等众多领域。聚丙烯腈基碳纤维是生产碳纤维的主要方法。 聚丙烯腈基碳纤维的制造包括PAN原丝(特指用于制造碳纤维的聚丙烯腈纤 维，丙烯腈组分含量不低于90％)的合成和纺丝、PAN原丝的预氧化、PAN 预氧丝的炭化、表面处理等数十道工序，是多学科、多技术的集成。PAN原 丝的预氧化是重要的过渡步骤，预氧化过程中热塑性的PAN原丝在一定温度 下经氧气氧化，转化为耐热梯形结构，从而使预氧丝在高温炭化过程中不熔 不燃、保持纤维形态，最终炭化制得碳纤维。

PAN原丝预氧化工艺中，要求PAN原丝在180-300℃烘箱内保持60-120 分钟(逐级分段提高预氧化温度)，并保持良好换气和流通。另一方面，PAN 原丝在无氧环化和氧气参与的预氧化环化过程中，均放出大量热量。在生产 过程中，剧烈放热会导致聚丙烯纤维快速升温，在氧气存在下控制不当会导 致自燃，因此需小心控制。PAN原丝的预氧化过程的能耗巨大，据统计，仅 预氧化一道工序，单位重量产品的能耗达到钢的3-4倍。显然，若能加快预氧 化速度，降低环化放热量，将对提高产能、降低控制难度非常有利。

目前，采用共聚PAN纤维(含少量甲基丙烯酸甲酯、衣康酸等共聚组分) 预氧化环化，以减缓其放热速度，降低环化过程的控制难度。但共聚PAN可 以有效的降低热聚合环化温度，减缓放热，但不能减少放热热量，因此不能 从源头解决PAN的环化放热问题。目前，采用PAN原丝的细旦化(即减小原 丝的直径)、合理改善预氧化炉的设计等方法加快预氧化速度，提高产能。但 经几十年的技术改进，上述方法的潜能已经发挥到极限，很难进一步提升。

专利申请200910200308.X中提到一种用γ射线辐照的预处理方法，此方 法可以有效的降低PAN原丝环化放热量，并显著的提高预氧化速度。对改性 高分子材料而言，γ射线虽然也能达到一定的效果，但对于大规模辐射改性 高分子材料，则显得力不从心了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚丙烯腈纤维的改性方法，通过该方法预处 理的聚丙烯腈纤维环化交联过程中的放热量减少。同时经该方法预处理后的 聚丙烯腈纤维预氧化速度加快，从而可减少预氧化时间。

为达到上述目的，本发明提供一种用电子束辐照聚丙烯腈纤维的预处理 方法。电子束辐照的过程根据电子加速器的性能和束下设施进行调整，可以 进行间歇或连续辐照。

根据本发明的间歇式辐照的操作步骤包括：

步骤一、将聚丙烯腈纤维平放入一托盘内，并用薄膜小心覆盖好，将托 盘置于一可往复运动的轨道上。

步骤二、启动电子加速器，使电子束能量和束流达到辐射加工的要求。

步骤三、启动往返轨道运行开关，使样品托盘随轨道运行而往返穿过电 子束，调整辐照剂量率，控制辐照总剂量为20-3000kGy。

步骤四、辐照完成后，关闭加速器，取出样品，对样品进行环化放热和 预氧化测试。

所述的电子束能量为0.1～10MeV，所述的辐照剂量率为1～10⁵Gy/s。所 述的托盘为金属材质，所述薄膜为金属薄膜或塑料薄膜，所述金属薄膜为熔 点高于200摄氏度的任何金属薄膜或金属合金薄膜。所述的聚丙烯腈纤维为 丙烯腈含量不低于90％的共聚物(例如丙烯腈含量90％-99.99％的共聚物)。 所述的聚丙烯腈纤维可以为短纤维、长纤维或纤维丝织物，尤其适用于制造 碳纤维用聚丙烯腈纤维(即PAN原丝)。所述的聚丙烯腈纤维在辐照前未进行 任何处理。