碳纤维原丝的预氧化方法及由其制得的预氧化碳纤维与流程

本发明涉及聚丙烯腈基碳纤维制造，具体涉及一种碳纤维原丝的预氧化方法及由其制得的预氧化碳纤维。

背景技术：

1、碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有高硬度、高强度、重量轻、高耐化学性、耐高温的特性。碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。这也使其在航空航天、土木工程、军事、赛车与其他竞技体育运动制品中很受欢迎。

2、碳纤维在生产过程中主要包括以下几个步骤：碳纤维原丝制备、原丝预氧化处理、预氧化纤维低温碳化、高温碳化处理、表面处理、水洗、上浆以及收卷，其中每个步骤都直接决定最终碳纤维的性能。在预氧化过程中，纤维主要发生环化反应、脱氢反应、氧化反应和裂解反应，整个过程需要在一定的温度下进行。同时，预氧化过程为放热过程，放出的热量若不及时排出将会造成纤维熔断现象的发生，这也是造成预氧化工艺是整个碳纤维制备过程中最为耗时工艺的原因。

3、预氧化温度一般在180-280℃，预氧化气氛主要为空气。当反应温度低于180℃时，反应速率慢，耗时长，效率低；而当反应温度高于280℃时，环化反应剧烈，放热比较集中，易造成纤维熔断。因此，选择合理的预氧化温度以及如何将热量分散释放至关重要。

4、cn112553711a公开了一种聚丙烯腈纤维原丝快速预氧化方法。所述方法包括以下步骤：在室温下，将聚丙烯腈原丝置于质量分数为1-5％的磷酸二氢铵溶液中浸润10-60min，得到改性聚丙烯腈原丝；将改性的聚丙烯腈原丝烘干，烘干时间为10-30min；在流动空气气氛中，对改性聚丙烯腈原丝进行预氧化处理，预氧化工艺控制升温速率为2-5℃/min，当升温至180-240℃后，保温10-30min；自然冷却至室温，得到聚丙烯腈预氧丝。该专利只是对纤维进行了预处理，对预氧化时间的改进有限，对预氧化温度调控有限。

5、cn112695412a公开了大丝束碳纤维快速预氧化方法。所述方法在预氧化初期采用含氧量相对空气较低的工艺气，是为了使大丝束原丝先发生环化反应，由于环机构发生氧化反应的活化能较低，使得预氧化中后期的温度和所需时间大大降低，从而降低了能耗，提高了生产效率。但是，该专利中第一温区混合气体发生环化反应的同时也会发生氧化反应，一定程度上会阻碍环化反应的进行。另外，该专利方法中所需的预氧化时间在30-40min之间，在实际生产中还需要进一步缩短。

6、因此，亟需研发一种预氧化时间更短、预氧化均匀性更高的碳纤维原丝预氧化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的碳纤维原丝预氧化时间长、预氧化均匀性低的问题，提供一种碳纤维原丝的预氧化方法及由其制得的预氧化碳纤维。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种碳纤维原丝的预氧化方法，其中，所述方法包括：将碳纤维原丝经改性预处理、烘干、环化和氧化后得到预氧化碳纤维。

3、本发明第二方面提供一种前述的方法制得的预氧化碳纤维。

4、通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

5、在本发明中，先将碳纤维原丝进行改性预处理，可以降低后续环化反应放热，使环化反应进行得比较缓和。在氧化处理之前进行环化处理，加快预氧化速度，从而达到高效预氧化的效果。本发明所述预氧化方法还可以提高预氧化均匀性，减少纤维“皮芯”结构的形成。

6、本发明通过改性预处理及先环化后氧化达到快速预氧化效果，所需的预氧化时间可缩短至25min以内，大大降低了预氧化时间，提高了生产效率，同时可提高预氧化均匀性。

技术特征：

1.一种碳纤维原丝的预氧化方法，其特征在于，所述方法包括：将碳纤维原丝经改性预处理、烘干、环化和氧化后得到预氧化碳纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳纤维原丝为聚丙烯腈基碳纤维原丝；

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述改性预处理的过程包括：将所述碳纤维原丝浸入金属化合物溶液中；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述烘干的温度为120-180℃，优选为140-170℃；

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述环化在保护气氛下进行；

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述氧化在氧化性气氛下进行；

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述环化中使用的保护气氛和所述氧化中使用的氧化性气氛的气体流量相同；

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，所述环化中对碳纤维原丝所施加的牵引张力f1和所述氧化中对碳纤维原丝所施加的牵引张力f2满足：f1＞f2；

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，所述方法还包括：在所述改性预处理之前，将碳纤维原丝进行放丝处理。

10.一种权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的预氧化碳纤维。

11.根据权利要求10所述的预氧化碳纤维，其中，所述预氧化碳纤维的含氧量为8-10wt％；

技术总结
本发明涉及聚丙烯腈基碳纤维制造技术领域，公开了一种碳纤维原丝的预氧化方法及由其制得的预氧化碳纤维。所述方法包括：将碳纤维原丝经改性预处理、烘干、环化和氧化后得到预氧化碳纤维。本发明通过改性预处理及先环化后氧化达到快速预氧化效果，所需的预氧化时间可缩短至25min以内，大大降低了预氧化时间，提高了生产效率，同时可提高预氧化均匀性。

技术研发人员：吴嵩义,乔蒙蒙,黄胜德,叶海俊,刘礼华
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7