[發明專利]高強度高模量碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201110330682.9
• 申請日: 2011-10-27
• 公開（公告）號: CN102505189A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 劉杰;連峰;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;D01F9/21
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域：

本發明涉及一種制備高性能碳纖維的方法。具體采用低溫同步改性后纖維中的無定形區聚丙烯腈分子鏈的取向度(f_a)來鑒別聚丙烯腈共聚纖維取向程度的優劣，以f_a值為標準調控低溫同步改性工藝參數，從而制得拉伸強度高于3.6GPa、拉伸模量高于240GPa的高性能碳纖維。

背景技術：

碳纖維兼具高強、高模、輕質、熱膨脹系數小、耐燒蝕、抗疲勞、抗蠕變、導電等優點，被廣泛用于航天、軍工和民用等各領域。聚丙烯腈共聚纖維是制備碳纖維的理想前軀體，主要經過熱氧穩定化、低溫碳化和高溫碳化等階段。在該過程中，牽伸是必不可少的工序，它可以使聚丙烯腈分子鏈保持一定的取向，避免分子鏈因受熱又恢復到紡絲前的無序狀態。由于聚丙烯腈共聚纖維內同時存在晶區和無定形區，并且通過研究發現，無定形區內分子鏈的取向程度對碳纖維的力學性能具有更顯著地關聯性。當對纖維進行牽伸時，特別是在熱氧穩定化前期，晶區和無定形區發生取向的順序和程度是不同的。通常是晶區先進行快速取向并達到取向平衡，隨后是無定形區發生取向。過小的牽伸不會促使無定形區內的分子鏈充分取向，而過大的牽伸又會使已經取向完全的晶區發生滑移甚至斷裂，在纖維內形成缺陷，嚴重降低最終碳纖維的力學性能。因而，確定無定形區聚丙烯腈分子鏈的合適的取向程度是制備高性能碳纖維的關鍵因素。目前通常使用X射線衍射來表征聚丙烯腈晶區的取向程度，或采用聲速模量法測量纖維整體的取向程度來衡量聚丙烯腈分子鏈取向的好壞，但這些方法均忽略了對無定形區分子鏈取向程度的表征。本發明在熱氧穩定化之前的低溫同步改性階段，以無定形區分子鏈的取向程度來衡量聚丙烯腈共聚纖維取向的好壞，為評價聚丙烯腈共聚纖維是否滿足制備高強碳纖維的要求提供了有效的評價方法。

發明內容：

本發明的旨在提供提供一種可以提高碳纖維的抗張強度，擴大其應用領域的高強碳纖維的制備方法。在熱氧穩定化之前對聚丙烯腈基纖維進行低溫同步改性處理，溫度為160～180℃，時間為4～8分鐘，牽伸比為2～12％，以低溫同步改性處理后的聚丙烯腈共聚纖維中無定形區分子鏈的取向度f_a值，作為上述處理纖維的結構控制指標，為評價聚丙烯腈共聚纖維是否滿足制備高強碳纖維的要求提供了有效的評價方法。

本發明提供一種制備高性能碳纖維的方法，以聚丙烯腈共聚纖維為原絲，按照以下步驟進行制備高性能碳纖維：

在熱氧穩定化之前，將共聚物中丙烯腈單體的質量含量不低于90％的聚丙烯腈共聚纖維置于溫度為160～180℃的熱處理爐中，熱處理時間為4～8分鐘，并施以2～12％的牽伸比進行低溫同步改性處理；

以聚丙烯腈共聚纖維中無定形區分子鏈的取向度f_a值作為上述處理纖維的結構控制指標，選擇無定形區中聚丙烯腈分子鏈的取向度f_a值在35～45％范圍的低溫同步改性后的聚丙烯腈共聚纖維；

其中，f_a＝(f_chain-β·f_c)/(1-β)，式中：f_chain為聚丙烯腈分子鏈沿纖維軸向的平均取向度，通過偏振光紅外掃描分析獲得；f_c為聚丙烯腈晶體沿纖維軸向的取向度，β為聚丙烯腈共聚纖維的結晶度，通過廣角X射線衍射分析獲得；

將選擇的低溫同步改性處理后的聚丙烯腈共聚纖維進行常規熱氧穩定化和碳化處理制得碳纖維。經低溫同步改性處理且結構控制指標達標，制得碳纖維的拉伸強度高于3.6GPa、拉伸模量高于240GPa。

所述的聚丙烯腈共聚纖維可以為采用濕法、干法或干濕法紡制的纖維，纖維絲束可為1～48K。上述聚丙烯腈共聚纖維含有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方法不同造成的，只要原絲中丙烯腈單體的質量含量不低于90％的上述共聚物，本發明即可適用。

所選取的低溫同步改性纖維的f_a值的最佳范圍是38～45％。

本發明的效果：以聚丙烯腈纖維無定形區中分子鏈的取向度f_a值作為低溫同步改性后纖維的結構質量指標，當低溫同步改性后的纖維的f_a值在35～45％范圍時，所得碳纖維的拉伸強度高于3.6GPa、拉伸模量高于240GPa。通過實例證明，該方法適用于所有聚丙烯腈共聚纖維。

具體實施方式：

實施例1