技术摘要：
一种大气等离子体辅助制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法，解决现有技术中聚丙烯腈纤维热氧稳定化过程中环化氧化反应过程中氧的活性较低的问题。采用将聚丙烯腈纤维在大气等离子气氛中同时经过热处理炉进行热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的技术路线。此方 全部
背景技术：
碳纤维作为一种含碳量高于90％的碳材料，具有高比强度、比模量、高耐热性、低 密度等优异性能，广泛应用于航空航天和军工领域，目前在民用领域也展现了很好的应用 前景。作为碳纤维的前驱体之一，聚丙烯腈纤维制备碳纤维主要包括热氧稳定化和碳化过 程。热氧稳定化一般在空气气氛中进行，在这一过程中，聚丙烯腈纤维会发生环化、氧化、脱 氢、交联等反应，均需要氧元素的参与。但是氧元素在PAN纤维中的反应活性较低，导致纤维 反应不充分不均衡，呈现明显的皮芯结构，影响最终碳纤维力学性能；同时过低的氧渗透速 率也导致整个预氧化时间过长，严重影响生产成本。 对于制备碳纤维而言，只有热氧稳定化纤维的环化和氧化反应程度均达到合适的 程度，才能够制备力学性能较好的碳纤维，但在热氧稳定化过程中，环化和氧化反应的速率 和效率均受氧的反应活性的影响，导致难以使反应程度均在合适的范围内。 除了制备碳纤维以外，聚丙烯腈纤维还可用于制备阻燃耐燃纤维、吸附和催化剂 载体材料等，在以上领域中，均需要对聚丙烯腈纤维进行热氧稳定化处理。而各种碳纤维材 料的性能均与热氧稳定化过程直接相关。所以在制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的过程 中，提高氧的活性具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的主要目的是解决现有技术中聚丙烯腈纤维热氧稳定化过程中环氧的活 性低导致反应程度低耗时长的问题，提出了一种制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法， 在该方法中，可以有效提高氧的活性。 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： 一种制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法，具体步骤包括： (1)聚丙烯腈纤维在等离子氛围中同时经过热处理炉，热处理温度210～270℃，热 处理时间为2.0～20.0min，完成聚丙烯腈纤维的热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化 纤维。 本发明步骤(1)中的热处理炉满足：聚丙烯腈纤维连续经过时，炉内气体含量可 控。 本发明步骤(1)中等离子的产生通过介质阻挡放电(DBD)的方式，具有均匀、稳定 3 CN 111549522 A 说 明 书 2/3 页 易控制的特性。 本发明步骤(1)中等离子处理过程中不会影响纤维的传质传热。 本发明步骤(1)中热处理温区的数量为1个，为恒温热处理形式。 本发明步骤(1)中热处理恒温区的温度为210～270℃，优选方案为230～250℃；纤 维在热处理炉内恒温区的停留时间为2.0～20.0min，优选方案为5.0～10.0min。 本发明中，对步骤(1)中热处理炉内的纤维施加适当的牵伸，步骤(1)的牵伸率为- 1.0～1.0％。 本发明中，聚丙烯腈纤维热稳定化过程氧的活性大小通过与之密切相关的环化反 应程度、氧化反应程度、密度大小三个方面进行反映。其中环化反应程度通过傅里叶变换红 外光谱(FTIR)表征，计算获得纤维的相对环化度(Relative Cyclization Index,RCI)作为 环化反应程度的评价指标；氧化反应程度通过元素分析仪表征，获得纤维的氧元素含量作 为氧化反应程度的评价指标；密度大小通过密度柱直接读取的方式，获得纤维的密度(ρ)， 进一步作为热氧稳定化程度的综合指标。RCI的计算方式为： 其中IC＝N和 IC≡N分别为FTIR谱图中C＝N和C≡N的特征吸收峰强度。 本发明中，经过步骤(1)获得的聚丙烯腈纤维的相较于只进行了热处理的聚丙烯 腈纤维，环化度提升了3.0～20 .0％，氧元素含量提高了0.10～5.70％，密度大小提高了 0.001～0.010g/cm3。 本发明中的聚丙烯腈纤维为共聚聚丙烯腈纤维，包含质量分数为0.5～15.0％的 一种或多种共聚单体，共聚单体包括：衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯 酸甲酯、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-羟基丙烯酰胺等中的一种或几种。 本发明中的聚丙烯腈纤维是由湿法纺丝法、干喷湿纺法、干法或静电纺丝法制得。 本发明中的聚丙烯腈纤维丝束为1～480k或静电纺纤维。 本发明的效果：采用本发明技术方案，对聚丙烯腈纤维在等离子气氛中同时进行 热处理，有效提高了环化、氧化、脱氢、交联等反应过程中氧的活性，促进了反应程度，完成 热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化纤维。通过调控等离子同时辅助热氧稳定化的温 度和时间，相较于只进行了热处理的聚丙烯腈纤维，环化度提升了3.0～20.0％，氧元素含 量提高了0.10～5.70％，密度大小提高了0.001～0.010g/cm3。本发明方法有效改善了氧的 活性，促进了聚丙烯腈纤维反应程度。同时该聚丙烯腈基热氧稳定化纤维可应用于进一步 制备高性能碳纤维、吸附和催化剂载体材料等。
一种大气等离子体辅助制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法，解决现有技术中聚丙烯腈纤维热氧稳定化过程中环化氧化反应过程中氧的活性较低的问题。采用将聚丙烯腈纤维在大气等离子气氛中同时经过热处理炉进行热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的技术路线。此方 全部
背景技术：
碳纤维作为一种含碳量高于90％的碳材料，具有高比强度、比模量、高耐热性、低 密度等优异性能，广泛应用于航空航天和军工领域，目前在民用领域也展现了很好的应用 前景。作为碳纤维的前驱体之一，聚丙烯腈纤维制备碳纤维主要包括热氧稳定化和碳化过 程。热氧稳定化一般在空气气氛中进行，在这一过程中，聚丙烯腈纤维会发生环化、氧化、脱 氢、交联等反应，均需要氧元素的参与。但是氧元素在PAN纤维中的反应活性较低，导致纤维 反应不充分不均衡，呈现明显的皮芯结构，影响最终碳纤维力学性能；同时过低的氧渗透速 率也导致整个预氧化时间过长，严重影响生产成本。 对于制备碳纤维而言，只有热氧稳定化纤维的环化和氧化反应程度均达到合适的 程度，才能够制备力学性能较好的碳纤维，但在热氧稳定化过程中，环化和氧化反应的速率 和效率均受氧的反应活性的影响，导致难以使反应程度均在合适的范围内。 除了制备碳纤维以外，聚丙烯腈纤维还可用于制备阻燃耐燃纤维、吸附和催化剂 载体材料等，在以上领域中，均需要对聚丙烯腈纤维进行热氧稳定化处理。而各种碳纤维材 料的性能均与热氧稳定化过程直接相关。所以在制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的过程 中，提高氧的活性具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的主要目的是解决现有技术中聚丙烯腈纤维热氧稳定化过程中环氧的活 性低导致反应程度低耗时长的问题，提出了一种制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法， 在该方法中，可以有效提高氧的活性。 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： 一种制备聚丙烯腈基热氧稳定化纤维的方法，具体步骤包括： (1)聚丙烯腈纤维在等离子氛围中同时经过热处理炉，热处理温度210～270℃，热 处理时间为2.0～20.0min，完成聚丙烯腈纤维的热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化 纤维。 本发明步骤(1)中的热处理炉满足：聚丙烯腈纤维连续经过时，炉内气体含量可 控。 本发明步骤(1)中等离子的产生通过介质阻挡放电(DBD)的方式，具有均匀、稳定 3 CN 111549522 A 说 明 书 2/3 页 易控制的特性。 本发明步骤(1)中等离子处理过程中不会影响纤维的传质传热。 本发明步骤(1)中热处理温区的数量为1个，为恒温热处理形式。 本发明步骤(1)中热处理恒温区的温度为210～270℃，优选方案为230～250℃；纤 维在热处理炉内恒温区的停留时间为2.0～20.0min，优选方案为5.0～10.0min。 本发明中，对步骤(1)中热处理炉内的纤维施加适当的牵伸，步骤(1)的牵伸率为- 1.0～1.0％。 本发明中，聚丙烯腈纤维热稳定化过程氧的活性大小通过与之密切相关的环化反 应程度、氧化反应程度、密度大小三个方面进行反映。其中环化反应程度通过傅里叶变换红 外光谱(FTIR)表征，计算获得纤维的相对环化度(Relative Cyclization Index,RCI)作为 环化反应程度的评价指标；氧化反应程度通过元素分析仪表征，获得纤维的氧元素含量作 为氧化反应程度的评价指标；密度大小通过密度柱直接读取的方式，获得纤维的密度(ρ)， 进一步作为热氧稳定化程度的综合指标。RCI的计算方式为： 其中IC＝N和 IC≡N分别为FTIR谱图中C＝N和C≡N的特征吸收峰强度。 本发明中，经过步骤(1)获得的聚丙烯腈纤维的相较于只进行了热处理的聚丙烯 腈纤维，环化度提升了3.0～20 .0％，氧元素含量提高了0.10～5.70％，密度大小提高了 0.001～0.010g/cm3。 本发明中的聚丙烯腈纤维为共聚聚丙烯腈纤维，包含质量分数为0.5～15.0％的 一种或多种共聚单体，共聚单体包括：衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯 酸甲酯、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-羟基丙烯酰胺等中的一种或几种。 本发明中的聚丙烯腈纤维是由湿法纺丝法、干喷湿纺法、干法或静电纺丝法制得。 本发明中的聚丙烯腈纤维丝束为1～480k或静电纺纤维。 本发明的效果：采用本发明技术方案，对聚丙烯腈纤维在等离子气氛中同时进行 热处理，有效提高了环化、氧化、脱氢、交联等反应过程中氧的活性，促进了反应程度，完成 热氧稳定化，获得聚丙烯腈基热氧稳定化纤维。通过调控等离子同时辅助热氧稳定化的温 度和时间，相较于只进行了热处理的聚丙烯腈纤维，环化度提升了3.0～20.0％，氧元素含 量提高了0.10～5.70％，密度大小提高了0.001～0.010g/cm3。本发明方法有效改善了氧的 活性，促进了聚丙烯腈纤维反应程度。同时该聚丙烯腈基热氧稳定化纤维可应用于进一步 制备高性能碳纤维、吸附和催化剂载体材料等。
