[发明专利]一种高性能聚丙烯腈基碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高性能聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，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。

背景技术

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、沥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高的瓶颈。

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）溶液中浸渍处理1～10分钟。除了KMNO₄外，还有文献报道采用K₂Cr₂O₇、CuCl、CoCl₂、SnCl₄、ZnCl₂等（BajajP,R00panwal A K.Thermal stabilization of acrylic precursors for the production of carbon fibers:An overwiew,Polymer Reviews,1997,37(1):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。

发明内容

本发明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。

在本发明第一方面中，提供了一种聚丙烯腈碳纤维原丝的预氧化前的预处理试剂，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、聚醚改性硅油、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%。

在本发明第二方面中，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：用本发明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发明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℃。

在另一优选例中，所述的温度为10～60°C；较佳地为20～50℃。

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0.1～10min。

在另一优选例中，所述的时间为0.1～5min；较佳地为0.1～2min。

在本发明第三方面中，提供了一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，包括步骤：

(1)将聚丙烯腈碳纤维原丝通过一个装有本发明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；