[發明專利]一種高強度炭纖維的制備方法

有效

• 申請號: 200910083921.8
• 申請日: 2009-05-13
• 公開（公告）號: CN101560701A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 劉杰;劉永華;馬兆昆;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
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 沈 波

技術領域

本發明屬于新材料制備領域，具體涉及一種高強度炭纖維的制備方法。

背景技術

炭纖維發展起源于20世紀50年代，經過五十多年的發展，其應用領域越來越廣泛。隨著科技的發展，對炭纖維性能的要求也越來越高。根據理論計算，炭纖維的拉伸強度應為182.8GPa，然而實際上，炭纖維的拉伸強度最高才能達到9GPa左右?？梢钥闯鎏坷w維的實際拉伸強度比理論計算出的拉伸強度低得多，原因是纖維的結構達不到假設的那種完整水平，即在結構上存在缺陷。

目前，占炭纖維產量90％以上的T-300炭纖維的拉伸強度約為3.3～3.6Gpa。而拉伸強度在9.0Gpa以上的炭纖維都是特殊紡制的原絲，并通過大幅度降低炭纖維直徑(由7.0μm降到5.0μm左右)的技術途徑來實現的。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將普通原絲制造成高強度炭纖維。采用NiSO₄對聚丙烯腈原絲進行改性的方法(高分子學報，2001年，第5期)，將炭纖維的拉伸強度從2.5GPa提高至3.2GPa，但其拉伸強度仍達不到T300水平，這限制了其在一般結構性復合材料中的應用。王強、朱波等采用H₂SO₄和HCl的混合酸對預氧化纖維進行處理的方法(高分子材料與工程，2006年，第4期)，將炭纖維的拉伸強度從2.76GPa提高到3.21GPa，但這種方法采用強酸，且設備復雜，不利于工業化生產。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術的問題，而提供一種高強炭纖維的制備方法。

本發明通過將原絲聚丙烯腈纖維依次經磺胺溶液化學改性、物理改性預氧化、低溫炭化和高溫炭化處理制得高強度碳纖維，具體步驟如下：

A、化學改性：在20～100℃下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為2～15％的磺胺溶液中1～10分鐘，而后水洗；

B、物理改性：將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于140～220℃，施以0～+10％伸長率的牽伸下，預處理1～10分鐘；

C、預氧化：將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210～280℃的預氧化爐中，保持纖維定長，處理20～100分鐘；

D、碳化：將預氧化后的聚丙烯腈共聚纖維在惰性氣氛保護下，依次進行低溫炭化和高溫炭化處理，其中，低溫炭化的溫度為300～800℃，升溫速率不超過每分鐘300℃，在0～+6％伸長率的牽伸下處理0.1～3分鐘；高溫炭化的溫度為1200～1600℃，在-3～0％收縮率的牽伸下處理0.1～2分鐘，制得高強度炭纖維。

其中，所述的聚丙烯腈共聚纖維為丙烯腈單體與丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸或羥烷基丙烯酸酯類中的一種或幾種的共聚物，聚丙烯腈共聚纖維中丙烯腈單體的質量含量不低于90％。所述的聚丙烯腈共聚纖維中一束纖維內單絲孔數為0.1～32萬，單絲纖度為0.5～3.0旦。可采用現有技術中的干法、濕法或干濕法紡制而成。

作為本發明的優選技術方案，步驟A中將聚丙烯腈纖維浸漬于質量百分濃度為5～12％的磺胺溶液中。

與現有技術相比較，本發明具有以下有益效果：

本發明在預氧化前對聚丙烯腈纖維進行化學與物理改性，磺胺改性處理使聚丙烯腈纖維的微觀結構得到改善，改變熱化學反應特征放熱，使聚丙烯腈纖維在預氧化過程中放熱起始溫度降低，結束溫度提高，放熱區間加寬，起到緩和放熱反應，改善纖維的序態結構，釋放纖維內應力，提高纖維截面均一性的作用。在炭化過程中，可以使反應不至過分劇烈，減少缺陷的發生。通過磺胺化學改性和預處理物理改性的共同作用，纖維在經過炭化以后，炭纖維的拉伸強度相比未經改性的碳纖維最大可提高達25.72％。

本發明方法操作方便、設備簡單、無環境污染、生產成本低，可直接與現有的炭纖維生產線在線配套使用。本發明方法制備的炭纖維不引入任何金屬雜質，拉伸強度由未改性時的3.3～3.5GPa提高至3.7～4.2GPa。

以下結合具體實施方式對本發明作進一步說明。

具體實施方式

下述實施例中均選用英國courtaulds公司采用濕法紡制的聚丙烯腈共聚纖維(其單絲孔數為3000的3K，纖度1.1旦(1.22dtex)，共聚物組成按質量百分比為：丙烯腈單體96％、丙烯酸甲酯3％、甲叉丁二酸1％)

實施例1

A、化學改性：在80℃下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5％的磺胺溶液中3分鐘，而后水洗；