[发明专利]匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法

说明书

本发明公开了一种匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法。所述方法将聚丙烯腈原丝在200～300℃内预氧化，控制纤维内部氧含量以梯度为1～3％的增幅匀速增加到8～11％，并采用3～6分区恒张力控制，获得匀质化的预氧纤维。本发明制备的预氧化纤维的皮芯参数≥50％，取向度≥80％，预氧化纤维经过低温碳化和高温碳化后，获得的碳纤维拉伸强度≥5.9Pa，拉伸强度离散系数≤5％，拉伸模量≥295Pa，拉伸模量离散系数≤2％，断裂伸长率≥1.9％，适用于航空航天领域。

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，涉及一种匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法。

背景技术

碳纤维是一种碳含量在93％以上的特种纤维，广泛应用于航空航天、体育运动、压力容器、建筑补强和现代新兴工业如风电叶片、新能源汽车、轨道交通等领域。按照强度和模量划分，一般把拉伸强度≥4.9GPa、拉伸模量介于270～315GPa的碳纤维称为高强中模碳纤维，此类碳纤维是航空航天领域重点需求产品，主要应用在飞机主承力结构件，对其性能及稳定性要求普遍比较高。

预氧化是碳纤维制备过程中极其重要的质量和产量控制阶段，是有机骨架结构往类石墨结构转变的承上启下的重要阶段，其匀质化的热力耦合作用关系到最终碳纤维力学性能的提高程度。原丝的热反应主要指氧化反应和环化反应，时间一般在30min以上。然而和环化反应在较短时间内即能达到平衡不同，氧化反应具有比较明显的时间依赖性，控制不当，纤维容易产生严重的皮芯结构，继而影响碳纤维力学性能的提升，故氧化反应是热反应匀质化控制的焦点。中国专利CN201510117207.1将聚丙烯腈共聚纤维丝束在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理80～120min，并控制第5段和第6段的温度梯度为14±2℃，其主要是通过温度的控制来避免预氧化过度或预氧化不足，从而避免皮芯结构的产生。中国专利201911003847公开了一种大丝束碳纤维快速预氧化方法，将原丝在三温区连续式预氧炉中进行氧化，第一温区采用氧含量相对空气较低的工艺气，第二温区和第三温区均采用空气。该方法在预氧化初期采用氧含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，但无法避免皮芯结构的产生，碳纤维力学性能并不能得到提升。

此外，预氧化过程一般施加一定的牵伸保证纤维分子链不产生过大的收缩，抑制解取向的发生，这有利于制取高取向高性能的碳纤维，以往工业化生产采用定牵伸的方式进行，实际张力具有较大的波动性，这种物理应力的波动直接造成纤维内部序态结构的不均匀，并遗传给最终的碳纤维，导致碳纤维性能离散系数较大。

发明内容

针对碳纤维在高端应用领域的特点，为了进一步改善碳纤维皮芯结构和性能的离散系数，本发明提供一种匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法。

本发明所述的匀质化高强中模碳纤维原丝的预氧化方法，具体步骤如下：

将聚丙烯腈(PAN)原丝在200～300℃温度范围内预氧化，采用3～6个温区，控制各温区纤维内部氧含量(O％)以1～3％的增幅匀速增至8～11％，同时各温区保持恒张力控制，且各温区对应的张力施加方式为：O％≤5.5％时，0.10～0.35cN/dtex；5.5％≤O％≤8％时，0.25～0.45cN/dtex；8％≤O％≤11％时，0.35～0.55cN/dtex，制得匀质预氧化纤维。

本发明的聚丙烯腈(PAN)原丝采用现有常规方法制备，例如干法纺丝、湿法纺丝、干喷湿纺法或静电纺丝。

优选地，本发明的聚丙烯腈原丝采用高强细旦聚丙烯腈原丝，强度≥9.5cN/dtex，纤度≤0.8dtex，氧含量≤3.5％。

本发明所述的各温区纤维内部氧含量是指纤维在该温区停留后，进入下一个温区前测得的纤维内部氧含量。纤维内部的氧含量通过对样品进行元素分析(氧模式)测得。

优选地，各温区的停留时间相同。