[發明專利]一種高強度碳纖維的制備方法

無效

• 申請號: 200610165553.8
• 申請日: 2006-12-21
• 公開（公告）號: CN101205642A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發明（設計）人: 劉杰;徐萌;梁節英
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F11/10;D01F11/14;D01F11/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 霍京華

技術領域：

本發明涉及一種高強度碳纖維的制備方法。

背景技術：

從五十年代碳纖維開始崛起，其應用的領域越來越廣泛。隨著科技的發展，對碳纖維性能的要求也越來越高。碳纖維主要分為高強度和高模量兩種，兩種碳纖維主要通過不同的原料和工藝條件制得。目前高模量碳纖維的實際模量已達到理論值的67.7％，而高強度碳纖維方面，保持最高抗張強度的T-1000型碳纖維其拉伸強度僅達到理論值的3.95％。且十多年來碳纖維的抗拉強度并未有新的突破，顯然這一問題需要新思路與新方法加以推動直至解決。

目前，占碳纖維產量90％以上的T-300碳纖維的拉伸強度約為3.3～3.6Gpa。而拉伸強度4.0Gpa以上的碳纖維都是采用特殊紡制的原絲，并通過大幅度降低碳纖維直徑(由7.0μm降到5.0μm左右)的技術途徑來實現。因此，其價格相當昂貴，極大限制了其應用。為了降低成本，通常通過改性的方法來達到用普通原絲制造高強度碳纖維的目的。目前改性的方法主要是對原絲進行改性和對生產出的碳纖維進行改性。山東工業大學采用KMnO₄對聚丙烯腈原絲進行改性的方法(廣東化纖，1999年，第四期)，將碳纖維拉伸強度從3.6GPa提高至3.9GPa，但其改性劑為強氧化劑，所需改性溫度也較高，對設備要求高，不利于工業化生產。信春玲等采用H₂SO₄與KMnO₄混合預浸漬空氣氧化法對碳纖維進行處理的方法(碳素技術，2002年，第三期)，碳纖維拉伸強度從3.5～3.8GPa提高到3.6～4.0GPa，但這種方法采用強酸和其他強氧化劑，且需要氧化步驟，設備復雜。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種高強度碳纖維的制備方法，采用聚乙二醇在預氧化和碳化過程之間，對聚丙烯腈預氧化纖維進行改性，通過改善碳纖維微結構缺陷達到提高碳纖維抗拉強度的目的，從而得到一種操作方便、設備簡單、對環境基本無污染的低成本制備高強度碳纖維的方法。

本發明為一種高強度碳纖維的制備方法，以聚丙烯腈纖維為原絲，經預氧化、聚乙二醇溶液改性、低溫碳化和高溫碳化處理制得，具體步驟和方法如下：

A：將共聚物中丙烯腈單體質量含量不低于90％的聚丙烯腈纖維在空氣介質中于180～300℃、在0～20％伸長率的牽伸下，進行20～100分鐘的預氧化；

B：將預氧化纖維浸漬在質量百分濃度為2～20％的聚乙二醇水溶液中，20～100℃的溫度下，浸漬1～10分鐘，然后對纖維進行水洗和干燥；

C：將上述浸漬改性后的預氧化纖維在惰性氣氛的保護下，在-2～+10％伸長率的牽伸下，經連續低溫碳化、高溫碳化處理，其中低溫碳化的溫度為300～800℃，低溫碳化爐的升溫速率每分鐘不超過400℃，高溫碳化的溫度為1200～1600℃中某一溫度，維持該溫度0.2～5分鐘制得高強度碳纖維。

在上述步驟B中聚乙二醇水溶液的質量百分濃度較好的范圍是8～12％。在步驟B的聚乙二醇改性處理過程中，為增強改性效果，還可以同時施加功率5～30瓦/升，20～90KHz的超聲波，浸漬處理縮短為0.5～180秒。

上述的聚丙烯腈纖維絲束可采用現有技術中的干法、濕法或干濕法紡制的纖維，一束纖維內單絲孔數為0.1～40萬，單絲纖度為0.5～3.0旦。上述的聚丙烯腈纖維絲束中，還含有10％質量含量以下的一種或多種共聚物：丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸及其酯類。這是由于制備原絲的不同方法造成的，只要原絲中丙烯腈單體質量含量不低于90％的上述共聚物，本發明即可適用。

本方法的高強碳纖維的制備過程與現有技術相比，主要區別在于采用聚乙二醇，在預氧化和碳化過程之間對聚丙烯腈預氧化纖維進行改性。聚乙二醇改性處理使預氧化纖維表面形貌結構以及其內部分子結構發生了一定的變化，起到表面修飾、增塑等作用。經改性后，改性劑對預氧化纖維表面起到了物理修飾作用，在低溫碳化過程中，可以使反應不至過分劇烈，減少了缺陷的發生。如果在改性過程中加入超聲波振蕩，可以使纖維的表皮變得較為疏松，有助于改性劑分子均勻進入纖維的內部，從而均勻地改進了分子鏈的結構和排列。通過以上的辦法，纖維在經過碳化以后，拉伸強度比起未經改性過程制得碳纖維有了較大的提高，而且最后碳纖維中其它非碳基團的含量也有所減小。且在改性過程的同時，加入超聲波，起到了降低改性溶液的濃度、改性溫度和縮短改性時間的作用，也使改性溶液的作用更加均勻。