聚炳烯腈纤维预氧化处理中消除皮芯的方法.pdf

聚炳烯腈纤维预氧化处理中消除皮芯的方法
    【技术领域】

    本发明属于碳纤维生产过程中的工序完善和改进。具体的说是碳纤维生产工艺中预氧化处理工序的改进。

    碳纤维是新材料中的佼佼者。特别是石墨化处理后的碳纤维已成为航空，航天中不可取代的材料，它做为复合材料中的加强成份已在国防、军事部门、生活、体育各方起着重大作用。目前使用的碳纤维大多数是以聚炳烯腈为原料，经预氧化，碳化两步工序制成碳纤维，所以提高碳纤维的质量水平，除了提高聚炳烯腈纤维本身的质量外，就取决于加工工序中不要再产生新的缺陷，使各步工序中纤维保护各段各向的一致性改善。然而无论采取什么样的工艺处理手段。在预氧化过程中单丝的芯层内外表层均有较大的差异。预氧化过程就是一个均匀加热的过程，是单丝内外层高分子结构与氧分子的反应过程。由于分子结构的至密特性外部氧分子很难扩散至纤维内部，从而产生单丝内外部预氧化程度产生很大特性差异，造成予氧化程度在径向上的物理指标上明显差异，最终形成碳纤维强度产生径向梯度分布，也称为径向性能不均匀。这一缺陷的形成是影响碳纤维质量减低的重大因素，称为皮芯现象。从电子显微镜的照片上可以清楚地看到皮芯现象形成地断面的差异，均质化的问题是本行业公认是提高碳纤维质量的瓶径，但目前并没有很好的解决方案。发明内容

    本发明的目的是提出一个对予氧化处理工艺进行前的补充方法，该方法涉及对待预氧化聚炳烯腈纤维的前处理，其处理的结果为在预氧化中消除皮芯现象并产生良好的影响。

    本发明的关键是针对在预氧化过程中所加热的纤维单丝的外表层和内部接触氧的不均匀性，而提出的解决问题的技术方案。如果通过处理使纤维单丝的内外部层有均匀接触氧原子的条件或环境那么在常规预氧化过程中就可能实现均质化而削除“皮芯”现象。

    本发明的技术方案如下：选择含氧量丰富的溶液将纤维原丝充分浸泡，使溶液有机会渗透到原丝的内部，但普通的含氧液体很难直接地通达纤维表层透过达纤维深部，因此我们将浸透富氧溶液的纤维放入密闭容并器置在平行板电容器之间，加载射频电压。由于聚炳烯腈纤维分子属于极性分子，在射频电场的作用下产生极化运动，在分子极化运动中使富氧分子带入原丝内部“预埋”起来，在预氧化工序时该时预渗透至内部的氧分子参加预氧化反应使深部反应充分形成表里一致的均质化效果。具体实施方案

    采取的富氧溶剂是双氧水，或5-15％高锰酸钾溶液，或5-10％高氯酸钾溶液，将待加工的聚炳烯腈原丝置入浸泡0.5-1.5小时，充分浸透后捞出来，放入密闭介质容器均匀填放，将容器置在一个平行板电容器中，加载射频电压，使平行板电容器的电场强度达50伏/厘米-500伏/厘米之间处理10-30分钟，在密闭容器中的富氧溶液中的氧会进一步释放产生正压气氛，并随着极化运动而将氧分子渗透入原丝内部，使得处理后的纤维在进入预氧化阶段时单丝的表层与内部有趋向相近的环境条件，从而达到均质化的效果。

    具体采取的射频频率为27.12MH，功率根据加工处理的平行板尺寸及对应的纤维数量相匹配。

    通过实验证明经过渗氧处理后的纤维进入常规的预氧化工序之后其均质化有明显的改善，电子显微镜衍射照片显示预氧化均匀“皮芯”基本消失，其处理后的效果出现了质的飞跃。使碳纤维的抗拉强度和弹性横量均有很大提高。