CN112708968B - 聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法 - Google Patents

聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化方法，主要解决现有碳纤维制备过程中氧化时间长、能耗大的技术问题。采用优化聚合配方和配比，以丙烯腈、含亚胺结构的酸和不饱和脂类为原料进行共聚制备碳纤维原丝；将原丝在依次在两温区连续化氧化炉中进行梯度升温。预氧化时间从常规的60～90min，减少至20～40min，碳纤维的拉伸强度为4527MPa，拉伸强度的离散系数为1.58％；拉伸模量为265GPa，拉伸模量的离散系数为0.85％，取得了较好的技术效果。

Description

聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法
技术领域
本发明涉及聚丙烯腈基碳纤维原丝处理领域，涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法。
背景技术
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的含碳量在90％以上的纤维状聚合物。它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐疲劳、耐热冲击、抗辐射和比重小等一系列优异性能，属于典型的高性能纤维。在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中，预氧化是决定碳纤维各项指标的关键步骤之一，其目的是使热塑性的聚丙烯腈线形链状大分子通过内部的化学反应转变为非塑性耐热梯形分子结构，从而使预氧纤维在高温炭化下保持不熔不燃的性质、保持纤维形态，并使其处于热力学稳定状态。
温度和时间是预氧化过程中两个最为重要的参数，在工艺制定过程中，需要综合考虑温度和时间的影响，预氧化不仅控制碳纤维的产量，同时也控制碳纤维的质量。相关研究表明预氧化时间约占生产总时间90％以上。所以预氧化工序是控制产量和生产成本的关键。因此在保证质量的前提下，如何缩短预氧化时间是当前研究的重要内容之一。近年来科学家们在深入研究预氧化工艺对碳纤维性能的影响规律。制取均质预氧丝是当前提高碳纤维性能的主要技术途径之一，国内科研机构和生产企业一般采取四个或者六个预氧炉，由于预氧炉的长度固定，因此预氧化过程中工艺调节的柔性不足。预氧化过程中，最重要的影响因素是时间、温度和牵伸，三者相互联系、相互影响，为科学研究带来了诸多麻烦。基于以上原因，目前国内的主要研究方向是攻克基础科学问题，同时在设备上进行改良。本发明在对基础科学问题的研究过程中，对设备和工艺进行了优化，以期提高碳纤维的力学性能。
张国良等人发表的《一种丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺》(专利号CN201710550785.3)公开了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化工艺。所述工艺将聚丙烯腈基碳纤维原丝在240～260℃的较高的起始温度下，以10～15℃的升温梯度，控制预氧化的总时间为33～40min，升温至270～290℃，预氧化过程中，控制热风以7000～12000m3/h的循环量垂直于丝束的运行方向向下吹送。该发明采用热风循环处理，大幅度缩短预氧化时间，将传统的大于60min的预氧化时间缩短到40min内，有效降低能耗。余木火等人发表的《一种快速氧化的聚丙烯腈纤维的制备方法》(专利号CN201110182715.X)介绍了一种快速氧化的聚丙烯腈纤维的制备方法，属于碳纤维技术领域。将聚丙烯腈粉末与离子液体按重量比1:0.25～1:1.8混合均匀，于120～220℃并通入含氧气体进行熔融纺丝，即得初生丝；上述初生丝进行干热拉伸，拉伸温度为80～180℃，总牵伸倍数为2～10倍，将牵伸后的纤维在50～80℃用萃取剂进行萃取，最后进行热定型得到聚丙烯纤维。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有碳纤维制备过程中氧化时间长、能耗大，提供一种聚丙烯腈基碳纤维原丝快速预氧化方法。该设备用于聚丙烯腈基碳纤维的制备过程中，具有减少预氧化时间、节约能耗的优点。
本发明采用优化聚合配方和配比，采用两温区连续预氧化装置，能有效减少预氧化时间至30min以内，大幅度降低能耗。
本发明在于提供一种大聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法，包括在两个温区的氧化炉中进行预氧化，所述第一温区氧化炉的温度低于所述第二温区氧化炉的温度。
根据本发明的一些实施方式，所述第一温区氧化炉的温度为230～250℃，和/或，所述第二温区氧化炉的温度为260～280℃。
根据本发明的一些实施方式，所述第一温区氧化炉的氧化时间为15～25min；和/或，所述第二温区氧化炉的氧化时间为5～10min。
根据本发明的一些实施方式，在所述第一温区对所述聚丙烯腈基碳纤维原丝施加正牵伸，在所述第二温区对所述聚丙烯腈基碳纤维原丝施加负牵伸。
根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝的全线张力为1900～2500cN。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化炉中环境介质为空气。
根据本发明的一些实施方式，所述第一温区氧化炉吹风方式为从中间往两端；
根据本发明的一些实施方式，所述第二温区氧化炉采用端对端吹风方式。
根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝由丙烯腈、含亚胺结构的酸和不饱和脂类为原料进行共聚制备。
根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝由丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚。
根据本发明的一些实施方式，以重量分数计，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备共聚单体中，丙烯腈占96～98％、衣康酸占1～2％、甲基丙烯酸甲酯占1～2％。
根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯腈基预氧纤维的体密度为1.370～1.375g/cm3。
根据本发明的一些实施方式，还包括依次的低温炭化和高温炭化的步骤。
根据本发明的一些实施方式，所述低温炭化和高温炭化均在惰性气氛下进行。
根据本发明的一些实施方式，所述低温炭化的温度为300～800℃；和/或，所述高温炭化的温度为800-1500℃。
在本发明中，温区的温度等于温区内的预氧炉的温度，也即进行预氧化的温度。
本发明的有益效果：
本发明的优点是：在不改变纺丝和碳化工艺的条件下，仅仅通过优化聚合配方和配比，以及预氧化工艺调整，即可大幅度减少预氧化时间，为制备低成本碳纤维的制备打下了基础。
采用本发明的技术方案，以丙烯腈、含亚胺结构的酸和不饱和脂类为原料进行共聚制备碳纤维原丝，在本发明预氧化炉系统中空气气氛下进行预氧化，氧化炉为两个，一号氧化炉温度为230～250℃，二号氧化炉温度为260～280℃。纤维在一号氧化炉中呈S形来回走丝，一号氧化炉热处理时间为15～25min；二号氧化炉热处理时间为5～10min。各氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加正牵伸，二号氧化炉施加负牵伸，使纤维在走丝过程中全线张力控制为1900～2500cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。所制备的预氧纤维体密度为1.370～1.375g/cm3。预氧纤维依次在惰性气氛下300～800℃温度中进行低温炭化、惰性气氛下800-1500℃中进行高温炭化，最终制得碳纤维。预氧化时间从常规的60～90min，减少至20～40min，碳纤维的拉伸强度为4527MPa，拉伸强度的离散系数为1.58％；拉伸模量为265GPa，拉伸模量的离散系数为0.85％，取得了较好的技术效果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为氧化炉系统示意图，
其中(1)为1号驱动装置，(2)为一号氧化炉，(3)为2号驱动装置，(4)为2号氧化炉，(5)为3号驱动装置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不受下述实施例限定。
本发明采用优化聚合配方和配比，以丙烯腈、含亚胺结构的酸和不饱和脂类为原料进行共聚制备碳纤维原丝；将原丝在依次在两温区连续化氧化炉中进行梯度升温，第一温区氧化炉(2)温度为230～250℃，施加正牵伸，氧化时间15～25min；第二温区氧化炉温度(4)为260～280℃，施加负牵伸，氧化时间5～10min，通过各温区前后的牵伸装置(1)(3)(5)控制纤维张力，使得全线张力控制为1900～2500cN的技术方案，较好的解决了以上问题，可用于聚丙烯腈基碳纤维的工业生产中。
【实施例1】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为245℃，氧化时间为20min；二号氧化炉温度为270℃，氧化时间为8min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.02倍正牵伸，二号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为28min，制备的预氧纤维体密度为1.372g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4527MPa，拉伸强度的离散系数为1.58％；拉伸模量为265GPa，拉伸模量的离散系数为0.85％。
【实施例2】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为19min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为7min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.02倍正牵伸，二号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2100cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为26min，制备的预氧纤维体密度为1.373g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4427MPa，拉伸强度的离散系数为2.53％；拉伸模量为259GPa，拉伸模量的离散系数为0.97％。
【实施例3】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为98％:1％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为245℃，氧化时间为20min；二号氧化炉温度为270℃，氧化时间为8min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.02倍正牵伸，二号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2100cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为28min，制备的预氧纤维体密度为1.370g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4353MPa，拉伸强度的离散系数为2.36％；拉伸模量为261GPa，拉伸模量的离散系数为1.06％。
【实施例4】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为98％:1％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为19min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为7min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.02倍正牵伸，二号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2100cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为26min，制备的预氧纤维体密度为1.374g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4339MPa，拉伸强度的离散系数为2.67％；拉伸模量为261GPa，拉伸模量的离散系数为1.21％。
【实施例5】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为98％:1％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为19min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为7min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2100cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为26min，制备的预氧纤维体密度为1.372g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4189MPa，拉伸强度的离散系数为2.46％；拉伸模量为272GPa，拉伸模量的离散系数为0.86％。
【实施例6】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为19min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为7min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2100cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为26min，制备的预氧纤维体密度为1.372g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4452MPa，拉伸强度的离散系数为2.19％；拉伸模量为268GPa，拉伸模量的离散系数为0.92％。
【实施例7】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为18min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为6min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为24min，制备的预氧纤维体密度为1.371g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4417MPa，拉伸强度的离散系数为2.31％；拉伸模量为265GPa，拉伸模量的离散系数为0.87％。
【实施例8】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为17min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为5min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为22min，制备的预氧纤维体密度为1.370g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4329MPa，拉伸强度的离散系数为2.89％；拉伸模量为262GPa，拉伸模量的离散系数为0.92％。
【实施例9】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为18min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为5min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为23min，制备的预氧纤维体密度为1.374g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4225MPa，拉伸强度的离散系数为2.17％；拉伸模量为275GPa，拉伸模量的离散系数为0.86％。
【实施例10】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为25min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为2min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为27min，制备的预氧纤维体密度为1.373g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为41805MPa，拉伸强度的离散系数为2.66％；拉伸模量为281GPa，拉伸模量的离散系数为1.21％。
【比较例1】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸二元共聚，配比为98％:2％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为17min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为5min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为22min，制备的预氧纤维体密度为1.370g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3452MPa，拉伸强度的离散系数为4.81％；拉伸模量为235GPa，拉伸模量的离散系数为1.55％。
【比较例2】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸二元共聚，配比为98％:2％，将制备的原丝在四温区氧化炉中进行预氧化，氧化炉温度分别为220℃/230℃/245℃/260℃，每个温区加热为16min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二、三号炉零牵伸，四号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，四个采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为64min，制备的预氧纤维体密度为1.375g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4257MPa，拉伸强度的离散系数为3.17％；拉伸模量为262GPa，拉伸模量的离散系数为1.06％。
【比较例3】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸二元共聚，配比为98％:2％，将制备的原丝在四温区氧化炉中进行预氧化，氧化炉温度分别为220℃/230℃/245℃/260℃，每个温区加热为16min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二、三号炉零牵伸，四号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，都采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为64min，制备的预氧纤维体密度为1.375g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4257MPa，拉伸强度的离散系数为3.17％；拉伸模量为262GPa，拉伸模量的离散系数为1.06％。
【比较例4】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸二元共聚，配比为98％:2％，将制备的原丝在六温区氧化炉中进行预氧化，氧化炉温度分别为210℃/220℃/230℃/245℃/250℃/260℃，每个温区加热为12min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.01倍正牵伸，二号氧化炉施加1.01倍正牵伸，三、四号炉零牵伸，五号氧化炉施加0.99倍负牵伸，六号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2200cN。氧化炉中环境介质为空气，都采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为72min，制备的预氧纤维体密度为1.374g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4582MPa，拉伸强度的离散系数为2.69％；拉伸模量为271GPa，拉伸模量的离散系数为0.95％。
【比较例5】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在六温区氧化炉中进行预氧化，氧化炉温度分别为210℃/220℃/230℃/245℃/250℃/260℃，每个温区加热为12min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.01倍正牵伸，二号氧化炉施加1.01倍正牵伸，三、四号炉零牵伸，五号氧化炉施加0.99倍负牵伸，六号氧化炉施加0.98倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2200cN。氧化炉中环境介质为空气，都采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为72min，制备的预氧纤维体密度为1.373g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4622MPa，拉伸强度的离散系数为2.35％；拉伸模量为269GPa，拉伸模量的离散系数为1.17％。
【实施例11】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为260℃，氧化时间为18min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为5min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.03倍正牵伸，二号氧化炉施加0.97倍负牵伸，纤维在走丝过程中全线张力控制为2000cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为23min，制备的预氧纤维体密度为1.374g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3425MPa，拉伸强度的离散系数为2.98％；拉伸模量为225GPa，拉伸模量的离散系数为1.17％。
【实施例12】
12k碳纤维原丝采用丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚，配比为97％:2％:1％，将制备的原丝在两温区氧化炉中进行预氧化，一号氧化炉温度为250℃，氧化时间为18min；二号氧化炉温度为272℃，氧化时间为6min。氧化炉前后通过五辊机对纤维施加牵伸，一号氧化炉施加1.1倍正牵伸，二号氧化炉施加0.92倍负牵伸，纤维在走丝过程中一号氧化炉张力为4000cN，二号氧化炉张力为800cN。氧化炉中环境介质为空气，一号氧化炉吹风方式为从中间往两端，二号氧化炉采用端对端吹风方式。总体预氧化时间为24min，制备的预氧纤维体密度为1.375g/cm3。预氧纤维依次在惰性气体下300-800℃中进行低温碳化，900-1500℃中进行高温碳化，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为2898MPa，拉伸强度的离散系数为5.26％；拉伸模量为215GPa，拉伸模量的离散系数为2.27％。
显然，采用本发明的工艺和设备，可以达到减小预氧化时间，降低能耗的目的，具有较大的技术优势，可用于碳纤维的工业生产中。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.聚丙烯腈基碳纤维原丝的快速预氧化方法，包括在两个温区的氧化炉中进行预氧化，所述第一温区氧化炉的温度低于所述第二温区氧化炉的温度；
所述聚丙烯腈基碳纤维原丝由丙烯腈、衣康酸和甲基丙烯酸甲酯三元共聚；
所述第一温区氧化炉的温度为230~250℃，所述第二温区氧化炉的温度为260~280℃；
所述第一温区氧化炉的氧化时间为15~25min；所述第二温区氧化炉的氧化时间为5~10min；
以重量分数计，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备共聚单体中，丙烯腈占96~98%、衣康酸占1~2%、甲基丙烯酸甲酯占1~2%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一温区对所述聚丙烯腈基碳纤维原丝施加正牵伸，在所述第二温区对所述聚丙烯腈基碳纤维原丝施加负牵伸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈基碳纤维原丝的全线张力为1900~2500CN。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化炉中环境介质为空气；
和/或，所述第一温区氧化炉吹风方式为从中间往两端；
和/或，所述第二温区氧化炉采用端对端吹风方式。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈基预氧纤维的体密度为1.370~1.375g/cm3。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，还包括依次的低温炭化和高温炭化的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低温炭化和高温炭化均在惰性气氛下进行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述低温炭化的温度为300~800℃；和/或，所述高温炭化的温度为800-1500℃。
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