一种pbo纤维的热处理改性方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种PB0纤维的改性方法，更具体地说，本发明涉及一种PB0纤维的热 处理改性方法，属于高分子纤维改性技术领域。
【背景技术】
[0002] PB0是聚对苯撑苯并二噁唑的简称，PB0纤维是由PB0聚合物通过纺丝制得的一种 高性能纤维，拉伸断裂强度为5. 8GPa，杨氏模量达280GPa，热分解温度650°C，高出芳纶纤 维100°C，极限氧指数（L0I)达68,被誉为"21世纪的超级纤维"，可应用于航空航天领域， 例如：宇宙飞船结构材料、宇航服、火星探测器的气球膜、防弹衣、防弹头盔、飞机机身的的 抗冲击材料和导弹的防护设备等方面。
[0003] 国内关于PB0聚合方面的研究最早始于20世纪90年代，由于PB0单体4, 6-二氨 基间苯二酚（DAR)的合成技术不成熟，再加上进口试剂价格昂贵等多因素限制了国内PB0 纤维的发展。到了 90年代后期，关于PB0纤维的研究工作有所停滞。直到90年代末，日本 东洋纺公司（Toyobo)宣布获得高性能PB0纤维，商品名Zylon，并且将Zylon应用于航空航 天，国防等高新技术领域。在此之后国内的高校及科研院所重新开始重视这一课题，对PB0 的单体、聚合及纤维的制备等展开了研究，由于我国PB0纤维起步较晚且中途停滞，外国对 我国进行技术封锁，虽然PB0纤维的研究工作有了很大的进步，但与国外PB0纤维成熟的生 产工艺相比，得到的PB0纤维拉伸断裂强度和模量偏低，严重影响PB0纤维的使用。
[0004] 国家知识产权局于2013. 2. 27公开了一件公开号为CN102943316A，名称为"一种 生产聚对苯撑苯并二恶唑PB0纤维的工艺"的发明，该发明涉及一种生产聚对苯撑苯并二恶 唑PB0纤维的工艺，属于高性能纤维生产领域。本发明通过A、脱气、预聚合与脱泡；B、后聚 合、脱泡；C、纺丝、凝固；D、后处理；E、热处理等步骤，通过优化设备以及控制参数，解决了 现有技术中的诸多问题。该发明基本技术方案中的工艺过程、设备配合以及控制参数为一 个完整的体系，互相配合，缺一不可，能够有效对物料进行转移，实现PB0聚合物的规模聚 合与后续的规模纺丝，得到高质量的PB0纤维产品。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明旨在解决现有技术PB0纤维生产中的热处理工艺不合理，致使得到的纤维 强度和模量偏低的问题，提供了一种PB0纤维的热处理改性方法，能够提高PB0纤维的强度 和模量。
[0007] 为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下： 一种PB0纤维的热处理改性方法，其特征在于：包括以下工艺步骤： A、 进入热处理通道 将纺丝得到的PB0纤维控制其含水率为5-45%，然后在惰性氛围下进入分段式热处理 通道；所述的分段式热处理通道包括预热段、热处理段和降温段； B、 预热段 将PB0纤维先进入预热段，温度逐渐升高，控制预热段的温度为100-550°C; C、 热处理段 经过预热段的PB0纤维再进入热处理段，控制热处理段的温度为550-630°C; D、 降温段 经过热处理段的PB0纤维最后进入降温段，温度逐渐降低，控制降温段的温度为 100-550°C，最后得到热处理改性PB0纤维。
[0008] 本发明所述的在分段式热处理通道进行热处理改性的过程中，给予PB0纤维的张 力为0? 5-4cN/dtex，热处理改性过程的时间为4-16s。
[0009] 上述热处理改性过程是指PB0纤维进入热处理通道后的预热段、热处理段和降温 段。
[0010] 本发明所述的预热段设置有3个温区，所述的热处理段设置有10个温区，所述的 降温段设置有3个温区。
[0011] 本发明所述的预热段的第1温区、第2温区和第3温区的温度控制范围分别为 100-300r、300-400r和 450-550r。
[0012] 本发明所述的热处理段的10个温区温度控制范围都为550-630°C。
[0013] 本发明所述的降温段的第1温区、第2温区和第3温区的温度控制范围分别为 450-550r、300-400r和 100-300r。
[0014] 本发明所述的热处理前的PB0纤维含水率控制为30%。
[0015] 本发明所述的分段式热处理通道外部采用石棉保温层保温。
[0016] 本发明所述的分段式热处理通道内部的温度用热电偶控制。
[0017] 本发明带来的有益技术效果： 1、本发明解决了现有技术PB0纤维生产中的热处理工艺不合理，致使得到的纤维强 度和模量偏低的问题。本发明将PB0纤维通过张力辊进入分段式热处理通道，在分段式热 处理通道中增设的预热段和降温段对纤维强度和模量的提升有着至关重要的作用，由于水 分有增塑作用，在预热段的预热过程中，有利于分子链的运动，控制特定的含水率和预热段 相互作用，从而提高纤维在热处理段中的结晶度和取向度；最后，分段式热处理通道中增 设的降温段有效的避免了纤维热处理后直接暴露在空气中，从而有效的降低了纤维在热 空气中的高温热氧降解，使纤维处理后的强度和模量有较大的增加。本发明比公开号为 CN102943316A专利中得到的纤维强度和模量更高，强度最高可达到5. 50GPa，模量最高可 达到 263. 37GPa。
[0018] 2、针对【背景技术】中专利存在对纤维强度和模量的提升产生的不利影响，本发明已 消除了这一影响：纤维中含有的特定含量水分能够起到与油剂相似的作用，消除静电，减少 摩擦；另外，纤维自身含有的特定含量水分在本发明中的分段式热处理通道中，逐渐脱除， 而且不会产生降解，从而消除了在热处理过程中油剂对纤维性能的不利影响。
[0019] 3、本发明通过控制PB0纤维的含水率进行热处理后较明显的提升了其强度和模 量，其力学性能有了较明显的提高；本发明通过控制PB0纤维的含水率进行热处理后较明 显的提升了其强度和模量，操作简单，工艺稳定。
[0020] 4、本发明优选的，在分段式热处理通道进行热处理改性的过程中，给予PB0纤维 的张力为0. 5-4cN/dtex，热处理改性过程的时间为4-16S。根据聚合物的时温等效原理，在 高温下，聚合物分子链运动能力强，聚合物通过分子链的运动重排而提高取向度和结晶度 的时间短；但是，在低的温度下，聚合物分子链的运动能力弱，完成上述过程的时间就要长。 另外，如果热处理温度高于分解温度，聚合物会发生热解取向和热降解，使得纤维的强度和 模量也随之下降。因此，热处理的温度和热处理的时间必须相互配合，是纤维在热处理的过 程中，在不发生降解的条件下，完成分子链的重排以提高取向度和结晶度的目的。本发明中 的热处理时间和所使用的热处理温度相配合，能更好的提高纤维结晶度和取向度，进而提 升纤维的力学性能。纤维在热处理过程中，施加一定的张力有助于聚合物分子链的运动，对 于聚合物结晶度和取向度的提高有着重要的作用。但是，施加张力过大又会在处理过程中 造成纤维表层的磨损。PB0纤维明显的皮芯层结构使得纤维的大部分力学性能是由皮层赋 予的，因而，张力过大反而不利于纤维性能的进一步提高。本发明中施加的张力与热处理温 度和热处理时间相配合，能更好的在减少磨损的前提下，促进分子链的运动重排，提高聚合 物的结晶度和取向度。
[0021] 5、本发明优选的，预热段设置有3个温区，所述的热处理段设置有10个温区，所述 的降温段设置有3个温区。本发明优选的，预热段的第1温区、第2温区和第3温区的温度 控制范围分别为100-300°C、300-400°C和450-550°C。本发明优选的，热处理段的10个温 区温度控制范围都为550-630°C。本发明优选的，降温段的第1温区、第2温区和第3温区 的温度控制范围分别为450-550°C、300-400°C和100-300°C。预热段、热处理段和降温段三 段的温度是互相配合的。预热段通过设置特定的温区数量和控制特定的温度，逐步提高，使 纤维中的水分逐渐脱除，同时，逐渐预热聚合物，使得分子运动强度增加，以便于在热处理 段中进行分子链重排，使纤维结晶度和取向度提高，从而使其模量和强度增加。同时，纤维 中存在于细长微孔中的水分子需要在更高的温度下，才能脱除。在预热段后的热处理段，特 定的温区数量设置和特定的温度控制下纤维中未完全脱除的水分子迅速蒸发，同时在纤维 内部形成很多微孔，而微孔还未来得及闭合，这样给纤维分子链一定的空间重排伸展，也使 得纤维的模量和强度增加。降温段特定的温区数量设置和特定的温度控制有效的避免了纤 维热处理后直接暴露在空气中，从而有效的降低了纤维在热空气中的