CN104047073A - 一种聚丙烯腈预氧化处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种聚丙烯腈预氧化处理装置及方法，属于碳纤维制备的技术领域。采用可移动的微波加热炉(2)，微波加热炉(2)和聚丙烯腈纤维(4)的走丝速度同步可控，移动的加热炉能和移动的聚丙烯腈纤维形成空气对流，能更好地带走副反应的反应热，提高预氧丝的质量。微波加热炉(2)的一侧固定一个滴定速度可控的容砂漏斗(3)，用来向预氧丝上滴定氧化剂溶液，省去了浸泡再拿出来等繁琐过程，避免了对原丝结构的人为破坏。由微波加热的原理使氧化剂溶液中的氧分子在内部参与预氧化反应，尽量使预氧化程度达到表里一致，达到本发明降低皮芯效应的目的。

Description

一种聚丙烯腈预氧化处理装置及方法

技术领域

本发明属于碳纤维制备的技术领域，涉及一种聚丙烯腈预氧化处理的装置及方法。

背景技术

碳纤维是当今的一种举足轻重的新型材料，它已广泛用在国防、军事、航天以及其他民用行业中。目前，碳纤维大多数是以聚丙烯腈(PAN)为原料，经过预氧化和碳化后制成。我国研制碳纤维的条件和技术都有了显著提高，但仍有许多瓶颈问题尚未解决。其中预氧化是生产PAN基碳纤维中一个至关重要的过程，在这个过程中，原丝的线形分子链逐步转化成耐热的梯形结构，此过程中的温度设定，牵伸设定等因素不仅控制着碳纤维的质量，也控制着其产量。因此，提高预氧化效率和预氧丝质量对制取碳纤维是至关重要的。同时，预氧化过程还有一个不可忽视的现象，即预氧丝的皮芯现象。用扫描电子显微镜(SEM)能观察到致密的皮层和疏松旳芯部分布特别明显，致密的皮层阻挡了氧的扩散，疏松的芯部在碳化过程中也会容易产生孔洞，严重影响了碳纤维的质量。一直以来，预氧化过程的皮芯现象是提高碳纤维质量的瓶颈问题，很多专家和学者都在致力于此问题的解决。

发明内容

为了解决现有技术在对聚丙烯腈进行预氧化过程中产生皮芯现象而导致碳纤维质量降低的问题，本发明提供了一种聚丙烯腈预氧化处理装置和方法。

聚丙烯腈预氧化处理装置具体结构包括：动力牵引机构、加热机构以及预氧化处理机构；其中，所述的动力牵引机构1能够牵引聚丙烯腈纤维4移动；所述的加热机构为一个能够在水平方向移动的微波加热炉2，聚丙烯腈纤维4从微波加热炉2的加热区中穿过；所述的预氧化处理机构为用于装氧化剂溶液的滴定速度可控的容砂漏斗3，其被固定于微波加热炉2的一侧，容砂漏斗3的下端管口位于聚丙烯腈纤维4的正上方，下端管口与聚丙烯腈纤维4的距离大于0且小于等于管口滴出液滴的直径。

优选地，所述的动力牵引机构1为一组牵引滑轮。

所述的容砂漏斗3，可以是1个或1排，1排的长度小于微波加热炉2的加热区长度。

本发明提供了一种利用聚丙烯腈预氧化装置进行预氧化处理的方法，其具体步骤如下：

一、开启微波加热炉2加热至炉内温度180～200℃，并开启容砂漏斗3，放出容砂漏斗3中的氧化剂溶液对聚丙烯腈纤维4进行滴液；使聚丙烯腈纤维4与微波加热炉2相对水平移动，在20～30min内使一段聚丙烯腈纤维4进入微波加热炉2加热区，再在20～30min使该段聚丙烯腈纤维4移出微波加热炉2加热区；

二、停止容砂漏斗3滴液，将第二步处理的聚丙烯腈纤维4送入微波加热炉2内，并使炉内温度在15～20min内升温至280～290℃，然后保温30～40min，对步骤二中滴液过的聚丙烯腈纤维4进行加热处理，同时水平移动微波加热炉2，控制动力牵引机构1使微波加热炉2与聚丙烯腈纤维4行进速度一致；

三、关闭微波加热炉2使炉内温度下降至180～200℃，将加热处理后的聚丙烯腈纤维4移出微波加热炉2；

四、重复步骤一～步骤三，处理相邻的下一段聚丙烯腈纤维4，直至完成全部聚丙烯腈纤维4的处理过程。

其中，所述的氧化剂为高锰酸钾、氯酸钾或过氧化氢。

优选地，本发明使用过氧化氢作为氧化剂。

本发明优点：

1、利用微波加热的原理使极化后的极性分子随着外加交变电磁场的极性变更而交变取向，使氧化剂溶液中的氧分子能随着极化运动被带入到聚丙烯腈纤维(原丝)内部，在内部参与预氧化反应，尽量使预氧化程度达到表里一致，达到本发明降低皮芯效应的目的。

2、本发明中采用可移动的微波加热炉，微波加热炉和聚丙烯腈纤维走丝速度同步可控，移动的加热炉能和移动的聚丙烯腈纤维形成空气对流，能更好地带走副反应的反应热，提高聚丙烯腈纤维经预氧化处理后得到的预氧丝的质量。

3、微波加热炉的一侧固定的一个滴定速度可控的容砂漏斗，用来往聚丙烯腈纤维上滴定氧化剂溶液，省去了浸泡再拿出来等繁琐过程，避免了对原丝结构的人为破坏。

附图说明

图1本发明的聚丙烯腈预氧化处理装置的结构示意图；

图2实施例1聚丙烯腈预氧丝扫描电镜5000倍放大照片；

图3实施例1聚丙烯腈预氧丝扫描电镜10000倍放大照片；

图4实施例2聚丙烯腈预氧丝扫描电镜10000倍放大照片；

图5实施例3聚丙烯腈预氧丝扫描电镜10000倍放大照片。

具体实施方式

下面以实施例的方式具体说明本发明的技术方案，但本发明并不限于实施例。

实施例1

准备工作：按照图1所示组装聚丙烯腈预氧化处理装置；图1中，1为动力牵引机构，2为微波加热炉，3为容砂漏斗，4为聚丙烯腈纤维。

预氧化处理工作：

(1)开启微波加热炉2并设定微波加热炉2的加热温度设定为200℃；

(2)开启微波加热炉2进行加热，水平移动微波加热炉2并开启容砂漏斗3，放出容砂漏斗3中的过氧化氢溶液对聚丙烯腈纤维4进行滴液，同时控制滴定速度与微波加热炉2的移动速度使滴定长度恰好与微波加热炉长度相同，再反向移出聚丙烯腈纤维4，步骤(2)整个过程时间控制在50min左右；

(3)将炉内温度在15～20min内升温至280℃，然后保温30min，对步骤(2)中滴定过的聚丙烯腈纤维4进行加热处理，同时水平移动微波加热炉2，并控制牵引滑轮使其两者行进方向与速度一致(使聚丙烯腈纤维4在微波加热炉2内相对静止)；

(4)关闭微波加热炉使其炉内温度下降至180～200℃；

(5)利用牵伸滑轮牵引聚丙烯腈纤维将经过处理的聚丙烯腈纤维段移走；

(6)重复步骤(1)～步骤(5)，直至完成全部聚丙烯腈纤维的处理过程。

得到聚丙烯腈纤维预氧化处理后的聚丙烯腈预氧丝。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中将炉内温度设定为290℃。

实施例3

本实施例与实施例1和2的不同之处在于：步骤(2)整个过程时间控制在60min之内。

除以上实施例外，由于预氧化处理的物理反应在180～200℃之间进行，因此步骤(1)加热的最高温度可设定为180～200℃；步骤(3)中保温时间的延长有助于反应的进行，因此可对其适当延长至35～40min。

对实施例1至实施例3得到的结果进行扫描电镜测试(见图2～图5)，结果发现，通过本发明方法得到的聚丙烯腈预氧丝几乎观察不到皮芯结构，证明本发明方法能够降低皮芯效应。

Claims (5)

1.一种聚丙烯腈预氧化处理装置，具体结构包括：动力牵引机构(1)、加热机构以及预氧化处理机构；所述的动力牵引机构(1)能够牵引聚丙烯腈纤维(4)移动；所述的加热机构为一个能够在水平方向移动的微波加热炉(2)，聚丙烯腈纤维(4)从微波加热炉(2)的加热区中穿过；所述的预氧化处理机构为用于装氧化剂溶液的滴定速度可控的容砂漏斗(3)，其被固定于微波加热炉(2)的一侧，容砂漏斗(3)的下端管口位于聚丙烯腈纤维(4)的正上方，下端管口与聚丙烯腈纤维(4)的距离大于0且小于等于管口滴出液滴的直径。

2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈预氧化处理装置，其特征在于，所述的动力牵引机构(1)为一组牵引滑轮。

3.根据权利要求1所述的聚丙烯腈预氧化处理装置，其特征在于，所述的容砂漏斗(3)，是1个或1排，1排的长度小于微波加热炉(2)加热区的长度。

4.一种利用权利要求1中的聚丙烯腈预氧化装置对聚丙烯腈进行预氧化处理的方法，其特征在于，其具体步骤如下：

一、开启微波加热炉(2)加热至炉内温度180～200℃，并开启容砂漏斗(3)，放出容砂漏斗(3)中的氧化剂溶液对聚丙烯腈纤维(4)进行滴液；使聚丙烯腈纤维(4)与微波加热炉(2)相对水平移动，在20～30min内使一段聚丙烯腈纤维(4)进入微波加热炉(2)加热区，再在20～30min使该段聚丙烯腈纤维(4)移出微波加热炉(2)加热区；

二、停止容砂漏斗(3)滴液，将第二步处理的聚丙烯腈纤维(4)送入微波加热炉(2)内，并使炉内温度在15～20min内升温至280～290℃，然后保温30～40min，对步骤二中滴液过的聚丙烯腈纤维(4)进行加热处理，同时水平移动微波加热炉(2)，控制动力牵引机构(1)使微波加热炉(2)与聚丙烯腈纤维(4)行进速度一致；

三、关闭微波加热炉(2)使炉内温度下降至180～200℃，将加热处理后的聚丙烯腈纤维(4)移出微波加热炉(2)；

四、重复步骤一～步骤三，处理相邻的下一段聚丙烯腈纤维(4)，直至完成全部聚丙烯腈纤维(4)的处理过程。

5.根据权利要求4所述的对聚丙烯腈预氧化处理的方法，其特征在于，所述的氧化剂为过氧化氢。