一種pbo纖維的熱處理改性方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種PB0纖維的改性方法，更具體地說，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領域。
【背景技術】
[0002] PB0是聚對苯撐苯并二噁唑的簡稱，PB0纖維是由PB0聚合物通過紡絲制得的一種 高性能纖維，拉伸斷裂強度為5. 8GPa，楊氏模量達280GPa，熱分解溫度650°C，高出芳綸纖 維100°C，極限氧指數（L0I)達68,被譽為"21世紀的超級纖維"，可應用于航空航天領域， 例如：宇宙飛船結構材料、宇航服、火星探測器的氣球膜、防彈衣、防彈頭盔、飛機機身的的 抗沖擊材料和導彈的防護設備等方面。
[0003] 國內關于PB0聚合方面的研究最早始于20世紀90年代，由于PB0單體4, 6-二氨 基間苯二酚（DAR)的合成技術不成熟，再加上進口試劑價格昂貴等多因素限制了國內PB0 纖維的發(fā)展。到了 90年代后期，關于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應用于航空航 天，國防等高新技術領域。在此之后國內的高校及科研院所重新開始重視這一課題，對PB0 的單體、聚合及纖維的制備等展開了研究，由于我國PB0纖維起步較晚且中途停滯，外國對 我國進行技術封鎖，雖然PB0纖維的研究工作有了很大的進步，但與國外PB0纖維成熟的生 產工藝相比，得到的PB0纖維拉伸斷裂強度和模量偏低，嚴重影響PB0纖維的使用。
[0004] 國家知識產權局于2013. 2. 27公開了一件公開號為CN102943316A，名稱為"一種 生產聚對苯撐苯并二惡唑PB0纖維的工藝"的發(fā)明，該發(fā)明涉及一種生產聚對苯撐苯并二惡 唑PB0纖維的工藝，屬于高性能纖維生產領域。本發(fā)明通過A、脫氣、預聚合與脫泡；B、后聚 合、脫泡；C、紡絲、凝固；D、后處理；E、熱處理等步驟，通過優(yōu)化設備以及控制參數，解決了 現有技術中的諸多問題。該發(fā)明基本技術方案中的工藝過程、設備配合以及控制參數為一 個完整的體系，互相配合，缺一不可，能夠有效對物料進行轉移，實現PB0聚合物的規(guī)模聚 合與后續(xù)的規(guī)模紡絲，得到高質量的PB0纖維產品。
[0005]

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明旨在解決現有技術PB0纖維生產中的熱處理工藝不合理，致使得到的纖維 強度和模量偏低的問題，提供了一種PB0纖維的熱處理改性方法，能夠提高PB0纖維的強度 和模量。
[0007] 為了實現上述發(fā)明目的，其具體的技術方案如下： 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入分段式熱處理 通道；所述的分段式熱處理通道包括預熱段、熱處理段和降溫段； B、 預熱段 將PB0纖維先進入預熱段，溫度逐漸升高，控制預熱段的溫度為100-550°C; C、 熱處理段 經過預熱段的PB0纖維再進入熱處理段，控制熱處理段的溫度為550-630°C; D、 降溫段 經過熱處理段的PB0纖維最后進入降溫段，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行熱處理改性的過程中，給予PB0纖維的張 力為0? 5-4cN/dtex，熱處理改性過程的時間為4-16s。
[0009] 上述熱處理改性過程是指PB0纖維進入熱處理通道后的預熱段、熱處理段和降溫 段。
[0010] 本發(fā)明所述的預熱段設置有3個溫區(qū)，所述的熱處理段設置有10個溫區(qū)，所述的 降溫段設置有3個溫區(qū)。
[0011] 本發(fā)明所述的預熱段的第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部的溫度用熱電偶控制。
[0017] 本發(fā)明帶來的有益技術效果： 1、本發(fā)明解決了現有技術PB0纖維生產中的熱處理工藝不合理，致使得到的纖維強 度和模量偏低的問題。本發(fā)明將PB0纖維通過張力輥進入分段式熱處理通道，在分段式熱 處理通道中增設的預熱段和降溫段對纖維強度和模量的提升有著至關重要的作用，由于水 分有增塑作用，在預熱段的預熱過程中，有利于分子鏈的運動，控制特定的含水率和預熱段 相互作用，從而提高纖維在熱處理段中的結晶度和取向度；最后，分段式熱處理通道中增 設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 空氣中的高溫熱氧降解，使纖維處理后的強度和模量有較大的增加。本發(fā)明比公開號為 CN102943316A專利中得到的纖維強度和模量更高，強度最高可達到5. 50GPa，模量最高可 達到 263. 37GPa。
[0018] 2、針對【背景技術】中專利存在對纖維強度和模量的提升產生的不利影響，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， 而且不會產生降解，從而消除了在熱處理過程中油劑對纖維性能的不利影響。
[0019] 3、本發(fā)明通過控制PB0纖維的含水率進行熱處理后較明顯的提升了其強度和模 量，其力學性能有了較明顯的提高；本發(fā)明通過控制PB0纖維的含水率進行熱處理后較明 顯的提升了其強度和模量，操作簡單，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行熱處理改性的過程中，給予PB0纖維 的張力為0. 5-4cN/dtex，熱處理改性過程的時間為4-16S。根據聚合物的時溫等效原理，在 高溫下，聚合物分子鏈運動能力強，聚合物通過分子鏈的運動重排而提高取向度和結晶度 的時間短；但是，在低的溫度下，聚合物分子鏈的運動能力弱，完成上述過程的時間就要長。 另外，如果熱處理溫度高于分解溫度，聚合物會發(fā)生熱解取向和熱降解，使得纖維的強度和 模量也隨之下降。因此，熱處理的溫度和熱處理的時間必須相互配合，是纖維在熱處理的過 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晶度的目的。本發(fā)明中 的熱處理時間和所使用的熱處理溫度相配合，能更好的提高纖維結晶度和取向度，進而提 升纖維的力學性能。纖維在熱處理過程中，施加一定的張力有助于聚合物分子鏈的運動，對 于聚合物結晶度和取向度的提高有著重要的作用。但是，施加張力過大又會在處理過程中 造成纖維表層的磨損。PB0纖維明顯的皮芯層結構使得纖維的大部分力學性能是由皮層賦 予的，因而，張力過大反而不利于纖維性能的進一步提高。本發(fā)明中施加的張力與熱處理溫 度和熱處理時間相配合，能更好的在減少磨損的前提下，促進分子鏈的運動重排，提高聚合 物的結晶度和取向度。
[0021] 5、本發(fā)明優(yōu)選的，預熱段設置有3個溫區(qū)，所述的熱處理段設置有10個溫區(qū)，所述 的降溫段設置有3個溫區(qū)。本發(fā)明優(yōu)選的，預熱段的第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。預熱段、熱處理段和降溫段三 段的溫度是互相配合的。預熱段通過設置特定的溫區(qū)數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，逐漸預熱聚合物，使得分子運動強度增加，以便于在熱處理 段中進行分子鏈重排，使纖維結晶度和取向度提高，從而使其模量和強度增加。同時，纖維 中存在于細長微孔中的水分子需要在更高的溫度下，才能脫除。在預熱段后的熱處理段，特 定的溫區(qū)數量設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)，同時在纖維 內部形成很多微孔，而微孔還未來得及閉合，這樣給纖維分子鏈一定的空間重排伸展，也使 得纖維的模量和強度增加。降溫段特定的溫區(qū)數量設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