[發明專利]一種具有規整表面溝槽的高強度聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201210214497.8
• 申請日: 2012-06-26
• 公開（公告）號: CN102733009A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 徐樑華;童元建;李常清;曹維宇;趙振文
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F6/38;C08F220/46;C08F222/02;C08F220/14;C08F2/06;D01D5/06;D01D5/12
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 霍京華

1.一種具有規整表面溝槽結構的高強度聚丙烯腈基碳纖維，具有圓形或近似圓形截面，沿纖維軸方向具有規整表面溝槽，直徑為5～8μm，拉伸強度為4.5～5.6GPa，拉伸模量為240～260GPa。

2.一種具有規整表面溝槽結構的高強度聚丙烯腈基碳纖維的制備方法，采用濕法紡絲技術制備原絲，原絲經預氧化、碳化制得，其特征是：在丙烯腈溶液聚合及紡絲原液凝固成型過程中，采用經氨或銨鹽改性的二甲基亞砜溶劑。

3.根據權利要求2的制備方法，其特征是：具體包含如下步驟：

(1)二甲基亞砜溶劑改性

質量濃度10～35%的氨水溶液和二甲基亞砜以0.01～1：100的體積比混合，或銨鹽與二甲基亞砜以0.01～2：100的質量比混合，充分攪拌均勻得到改性二甲基亞砜溶劑；

(2)紡絲原液制備

將丙烯腈、衣康酸、丙烯酸甲酯按93～99：0.5～2：1～5的摩爾比共混加入到聚合反應器中，以步驟(1)得到的改性二甲基亞砜為溶劑，反應溫度控制在50～75℃，聚合反應10～40小時，得到丙烯腈共聚物紡絲原液；

(3)紡絲原液的凝固成型

采用濕法紡絲，纖維離開噴絲孔后，進入第一級凝固浴，凝固浴溫度為40～70℃，凝固浴采用步驟(1)改性二甲基亞砜溶劑的水溶液，改性二甲基亞砜溶劑與水的體積比為1：0.2～1，凝固時間0.5～3分鐘，凝固牽伸率為0～-40％；凝固絲條出第一級凝固浴后，進入第二級凝固浴，凝固浴溫度20～50℃，凝固浴采用步驟(1)改性或未改性二甲基亞砜溶劑的水溶液，改性或未改性二甲基亞砜溶劑與水的體積比為1：1～4，凝固時間0.5～3分鐘；凝固絲條出第二級凝固浴后，進入第三級凝固浴，凝固浴溫度20～50℃，凝固浴采用步驟(1)改性或未改性二甲基亞砜溶劑的水溶液，改性或未改性二甲基亞砜溶劑與水的體積比為1：4～10，凝固時間0.5～3分鐘；

(4)凝固絲條一級牽伸

凝固絲條在100℃水蒸汽或熱水中進行牽伸，牽伸倍率為2～7倍；

(5)牽伸絲條水洗、上油、干燥致密化

牽伸絲條經過水洗去除殘余溶劑后，上油，通過熱輥進行干燥致密化；

(6)二次牽伸

干燥致密化絲條在130～180℃溫度下進行二次牽伸，牽伸倍率1.2～4倍，所用牽伸介質為過壓或過熱水蒸汽；

(7)熱定型

二次牽伸后的絲條在二次牽伸溫度±20℃下進行熱定型，得到原絲；

(8)預氧化

預氧化采用梯度升溫法在空氣氣氛下進行，預氧化起始溫度180℃～210℃，預氧化終溫260～300℃，分2～6個溫區對原絲進行預氧化處理，預氧化時纖維張力根據預氧化程度控制在相應預氧化纖維斷裂應力的20～70％，預氧化總處理時間40～120分鐘；

(9)低溫碳化

得到的預氧化纖維進入低溫碳化爐進行碳化處理，采用高純氮氣作為保護氣，氮氣中氧含量低于5PPm，低溫碳化溫度300℃～900℃，停留時間1.5～6分鐘；

(10)高溫碳化

纖維出低溫碳化后進行單溫區或兩段溫區高溫碳化處理，采用高純氮氣作為保護氣，氮氣中氧含量低于3PPm，最好在1PPm以下，單溫區碳化溫度為1100~1500℃，碳化停留時間為1～4分鐘；兩段溫區碳化的第一溫區溫度為800~1000℃，第二溫區的溫度為1200~1500℃，兩段高溫碳化停留時間分別為1～4分鐘。

4.根據權利要求3的制備方法，其特征是：步驟(1)的二甲基亞砜溶劑改性中，所述的銨鹽選自：碳酸氫銨、硝酸銨、氯化銨或硫酸銨。