一種pbo纖維的熱處理改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種PB0纖維的改性方法，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種PB0纖維的熱 處理改性方法，屬于高分子纖維改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] PB0是聚對(duì)苯撐苯并二噁唑的簡(jiǎn)稱，PB0纖維是由PB0聚合物通過(guò)紡絲制得的一種 高性能纖維，拉伸斷裂強(qiáng)度為5. 8GPa，楊氏模量達(dá)280GPa，熱分解溫度650°C，高出芳綸纖 維100°C，極限氧指數(shù)（L0I)達(dá)68,被譽(yù)為"21世紀(jì)的超級(jí)纖維"，可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域， 例如：宇宙飛船結(jié)構(gòu)材料、宇航服、火星探測(cè)器的氣球膜、防彈衣、防彈頭盔、飛機(jī)機(jī)身的的 抗沖擊材料和導(dǎo)彈的防護(hù)設(shè)備等方面。
[0003] 國(guó)內(nèi)關(guān)于PB0聚合方面的研究最早始于20世紀(jì)90年代，由于PB0單體4, 6-二氨 基間苯二酚（DAR)的合成技術(shù)不成熟，再加上進(jìn)口試劑價(jià)格昂貴等多因素限制了國(guó)內(nèi)PB0 纖維的發(fā)展。到了 90年代后期，關(guān)于PB0纖維的研究工作有所停滯。直到90年代末，日本 東洋紡公司（Toyobo)宣布獲得高性能PB0纖維，商品名Zylon，并且將Zylon應(yīng)用于航空航 天，國(guó)防等高新技術(shù)領(lǐng)域。在此之后國(guó)內(nèi)的高校及科研院所重新開始重視這一課題，對(duì)PB0 的單體、聚合及纖維的制備等展開了研究，由于我國(guó)PB0纖維起步較晚且中途停滯，外國(guó)對(duì) 我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，雖然PB0纖維的研究工作有了很大的進(jìn)步，但與國(guó)外PB0纖維成熟的生 產(chǎn)工藝相比，得到的PB0纖維拉伸斷裂強(qiáng)度和模量偏低，嚴(yán)重影響PB0纖維的使用。
[0004] 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2013. 2. 27公開了一件公開號(hào)為CN102943316A，名稱為"一種 生產(chǎn)聚對(duì)苯撐苯并二惡唑PB0纖維的工藝"的發(fā)明，該發(fā)明涉及一種生產(chǎn)聚對(duì)苯撐苯并二惡 唑PB0纖維的工藝，屬于高性能纖維生產(chǎn)領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)A、脫氣、預(yù)聚合與脫泡；B、后聚 合、脫泡；C、紡絲、凝固；D、后處理；E、熱處理等步驟，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備以及控制參數(shù)，解決了 現(xiàn)有技術(shù)中的諸多問(wèn)題。該發(fā)明基本技術(shù)方案中的工藝過(guò)程、設(shè)備配合以及控制參數(shù)為一 個(gè)完整的體系，互相配合，缺一不可，能夠有效對(duì)物料進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)PB0聚合物的規(guī)模聚 合與后續(xù)的規(guī)模紡絲，得到高質(zhì)量的PB0纖維產(chǎn)品。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)PB0纖維生產(chǎn)中的熱處理工藝不合理，致使得到的纖維 強(qiáng)度和模量偏低的問(wèn)題，提供了一種PB0纖維的熱處理改性方法，能夠提高PB0纖維的強(qiáng)度 和模量。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，其具體的技術(shù)方案如下： 一種PB0纖維的熱處理改性方法，其特征在于：包括以下工藝步驟： A、 進(jìn)入熱處理通道 將紡絲得到的PB0纖維控制其含水率為5-45%，然后在惰性氛圍下進(jìn)入分段式熱處理 通道；所述的分段式熱處理通道包括預(yù)熱段、熱處理段和降溫段； B、 預(yù)熱段 將PB0纖維先進(jìn)入預(yù)熱段，溫度逐漸升高，控制預(yù)熱段的溫度為100-550°C; C、 熱處理段 經(jīng)過(guò)預(yù)熱段的PB0纖維再進(jìn)入熱處理段，控制熱處理段的溫度為550-630°C; D、 降溫段 經(jīng)過(guò)熱處理段的PB0纖維最后進(jìn)入降溫段，溫度逐漸降低，控制降溫段的溫度為 100-550°C，最后得到熱處理改性PB0纖維。
[0008] 本發(fā)明所述的在分段式熱處理通道進(jìn)行熱處理改性的過(guò)程中，給予PB0纖維的張 力為0? 5-4cN/dtex，熱處理改性過(guò)程的時(shí)間為4-16s。
[0009] 上述熱處理改性過(guò)程是指PB0纖維進(jìn)入熱處理通道后的預(yù)熱段、熱處理段和降溫 段。
[0010] 本發(fā)明所述的預(yù)熱段設(shè)置有3個(gè)溫區(qū)，所述的熱處理段設(shè)置有10個(gè)溫區(qū)，所述的 降溫段設(shè)置有3個(gè)溫區(qū)。
[0011] 本發(fā)明所述的預(yù)熱段的第1溫區(qū)、第2溫區(qū)和第3溫區(qū)的溫度控制范圍分別為 100-300r、300-400r和 450-550r。
[0012] 本發(fā)明所述的熱處理段的10個(gè)溫區(qū)溫度控制范圍都為550-630°C。
[0013] 本發(fā)明所述的降溫段的第1溫區(qū)、第2溫區(qū)和第3溫區(qū)的溫度控制范圍分別為 450-550r、300-400r和 100-300r。
[0014] 本發(fā)明所述的熱處理前的PB0纖維含水率控制為30%。
[0015] 本發(fā)明所述的分段式熱處理通道外部采用石棉保溫層保溫。
[0016] 本發(fā)明所述的分段式熱處理通道內(nèi)部的溫度用熱電偶控制。
[0017] 本發(fā)明帶來(lái)的有益技術(shù)效果： 1、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)PB0纖維生產(chǎn)中的熱處理工藝不合理，致使得到的纖維強(qiáng) 度和模量偏低的問(wèn)題。本發(fā)明將PB0纖維通過(guò)張力輥進(jìn)入分段式熱處理通道，在分段式熱 處理通道中增設(shè)的預(yù)熱段和降溫段對(duì)纖維強(qiáng)度和模量的提升有著至關(guān)重要的作用，由于水 分有增塑作用，在預(yù)熱段的預(yù)熱過(guò)程中，有利于分子鏈的運(yùn)動(dòng)，控制特定的含水率和預(yù)熱段 相互作用，從而提高纖維在熱處理段中的結(jié)晶度和取向度；最后，分段式熱處理通道中增 設(shè)的降溫段有效的避免了纖維熱處理后直接暴露在空氣中，從而有效的降低了纖維在熱 空氣中的高溫?zé)嵫踅到?，使纖維處理后的強(qiáng)度和模量有較大的增加。本發(fā)明比公開號(hào)為 CN102943316A專利中得到的纖維強(qiáng)度和模量更高，強(qiáng)度最高可達(dá)到5. 50GPa，模量最高可 達(dá)到 263. 37GPa。
[0018] 2、針對(duì)【背景技術(shù)】中專利存在對(duì)纖維強(qiáng)度和模量的提升產(chǎn)生的不利影響，本發(fā)明已 消除了這一影響：纖維中含有的特定含量水分能夠起到與油劑相似的作用，消除靜電，減少 摩擦；另外，纖維自身含有的特定含量水分在本發(fā)明中的分段式熱處理通道中，逐漸脫除， 而且不會(huì)產(chǎn)生降解，從而消除了在熱處理過(guò)程中油劑對(duì)纖維性能的不利影響。
[0019] 3、本發(fā)明通過(guò)控制PB0纖維的含水率進(jìn)行熱處理后較明顯的提升了其強(qiáng)度和模 量，其力學(xué)性能有了較明顯的提高；本發(fā)明通過(guò)控制PB0纖維的含水率進(jìn)行熱處理后較明 顯的提升了其強(qiáng)度和模量，操作簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定。
[0020] 4、本發(fā)明優(yōu)選的，在分段式熱處理通道進(jìn)行熱處理改性的過(guò)程中，給予PB0纖維 的張力為0. 5-4cN/dtex，熱處理改性過(guò)程的時(shí)間為4-16S。根據(jù)聚合物的時(shí)溫等效原理，在 高溫下，聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，聚合物通過(guò)分子鏈的運(yùn)動(dòng)重排而提高取向度和結(jié)晶度 的時(shí)間短；但是，在低的溫度下，聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力弱，完成上述過(guò)程的時(shí)間就要長(zhǎng)。 另外，如果熱處理溫度高于分解溫度，聚合物會(huì)發(fā)生熱解取向和熱降解，使得纖維的強(qiáng)度和 模量也隨之下降。因此，熱處理的溫度和熱處理的時(shí)間必須相互配合，是纖維在熱處理的過(guò) 程中，在不發(fā)生降解的條件下，完成分子鏈的重排以提高取向度和結(jié)晶度的目的。本發(fā)明中 的熱處理時(shí)間和所使用的熱處理溫度相配合，能更好的提高纖維結(jié)晶度和取向度，進(jìn)而提 升纖維的力學(xué)性能。纖維在熱處理過(guò)程中，施加一定的張力有助于聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)，對(duì) 于聚合物結(jié)晶度和取向度的提高有著重要的作用。但是，施加張力過(guò)大又會(huì)在處理過(guò)程中 造成纖維表層的磨損。PB0纖維明顯的皮芯層結(jié)構(gòu)使得纖維的大部分力學(xué)性能是由皮層賦 予的，因而，張力過(guò)大反而不利于纖維性能的進(jìn)一步提高。本發(fā)明中施加的張力與熱處理溫 度和熱處理時(shí)間相配合，能更好的在減少磨損的前提下，促進(jìn)分子鏈的運(yùn)動(dòng)重排，提高聚合 物的結(jié)晶度和取向度。
[0021] 5、本發(fā)明優(yōu)選的，預(yù)熱段設(shè)置有3個(gè)溫區(qū)，所述的熱處理段設(shè)置有10個(gè)溫區(qū)，所述 的降溫段設(shè)置有3個(gè)溫區(qū)。本發(fā)明優(yōu)選的，預(yù)熱段的第1溫區(qū)、第2溫區(qū)和第3溫區(qū)的溫度 控制范圍分別為100-300°C、300-400°C和450-550°C。本發(fā)明優(yōu)選的，熱處理段的10個(gè)溫 區(qū)溫度控制范圍都為550-630°C。本發(fā)明優(yōu)選的，降溫段的第1溫區(qū)、第2溫區(qū)和第3溫區(qū) 的溫度控制范圍分別為450-550°C、300-400°C和100-300°C。預(yù)熱段、熱處理段和降溫段三 段的溫度是互相配合的。預(yù)熱段通過(guò)設(shè)置特定的溫區(qū)數(shù)量和控制特定的溫度，逐步提高，使 纖維中的水分逐漸脫除，同時(shí)，逐漸預(yù)熱聚合物，使得分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加，以便于在熱處理 段中進(jìn)行分子鏈重排，使纖維結(jié)晶度和取向度提高，從而使其模量和強(qiáng)度增加。同時(shí)，纖維 中存在于細(xì)長(zhǎng)微孔中的水分子需要在更高的溫度下，才能脫除。在預(yù)熱段后的熱處理段，特 定的溫區(qū)數(shù)量設(shè)置和特定的溫度控制下纖維中未完全脫除的水分子迅速蒸發(fā)，同時(shí)在纖維 內(nèi)部形成很多微孔，而微孔還未來(lái)得及閉合，這樣給纖維分子鏈一定的空間重排伸展，也使 得纖維的模量和強(qiáng)度增加。降溫段特定的溫區(qū)數(shù)量設(shè)置和特定的溫度控制有效的避免了纖 維熱處理后直接暴露在空氣中，從而有效的降低了纖維在熱空氣中的