[發明專利]高強高模碳纖維及其制備方法

在審

• 申請號: 201710631180.7
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN109306552A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 曹維宇;沙揚;楊衛民;徐樑華;譚晶
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F11/16
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 毛雨田

本發明公開了高強高模碳纖維及其制備方法，該方法按照下列步驟實現：(1)將聚丙烯腈原絲依次進行預氧化、低溫碳化和高溫碳化，得到碳纖維；(2)將所述碳纖維在惰性氣氛下進行紅外激光輻照處理，得到輻射處理碳纖維；(3)將所述輻射處理碳纖維進行γ射線輻照處理，得到高強高模碳纖維。該方法在將聚丙烯腈原絲依次進行預氧化、低溫碳化和高溫碳化后再進行紅外激光輻照處理，可以使碳纖維的亂層石墨結構發生重排，形成有序結構，也即石墨化，并且激光升溫速率快，能夠縮短石墨化時間、提高生產速率，然后對經紅外激光輻照處理的碳纖維進一步進行γ射線輻照處理可以使碳纖維片層之間發生交聯，從而進一步提高碳纖維的強度和模量。

技術領域

本發明屬于碳纖維生產領域，特別是一種高強高模碳纖維及其制備方法。

背景技術

聚丙烯腈基碳纖維由于其高強高模等特點被廣泛應用于復合材料。在1500℃高溫碳化條件下得到的碳纖維具有最大的強度，當溫度超過1500℃時強度逐漸下降，而碳纖維的模量隨著溫度的升高是呈單調上升趨勢的，因此碳纖維的高強度和高模量的性能很難同時兼顧。模量的升高是由于晶粒尺寸變大，取向更好。而強度的降低是由于在高溫條件下石墨片層之間的交聯結構被破壞。

因此，如何制備得到高強高模的碳纖維技術有待進一步研究。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種高強高模碳纖維及其制備方法，該方法在將聚丙烯腈原絲依次進行預氧化、低溫碳化和高溫碳化后再進行紅外激光輻照處理，可以使碳纖維的亂層石墨結構發生重排，形成有序結構，也即石墨化，并且激光升溫速率快，能夠縮短石墨化時間、提高生產速率，然后對經紅外激光輻照處理的碳纖維進一步進行γ射線輻照處理可以使碳纖維片層之間發生交聯，從而進一步提高碳纖維的強度和模量。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備高強高模碳纖維的方法。根據本發明的實施例，所述方法包括：(1)將聚丙烯腈原絲依次進行預氧化、低溫碳化和高溫碳化，得到碳纖維；(2)將所述碳纖維在惰性氣氛下進行紅外激光輻照處理，得到輻射處理碳纖維；(3)將所述輻射處理碳纖維進行γ射線輻照處理，以便得到高強高模碳纖維。

優選地，在步驟(1)中，所述聚丙烯腈原絲中丙烯腈的含量不低于90wt％。由此，可以保證所得碳纖維具有較高的取向度、強度和模量。

優選地，在步驟(1)中，所述聚丙烯腈原絲中含有丙烯酰胺共聚物和甲基丙烯酸甲酯共聚物中的至少之一。

優選地，在步驟(1)中，所述預氧化的溫度為150～290℃，氣氛為空氣氣氛，張力為0～50MPa，時間為1～120min。

優選地，在步驟(1)中，所述預氧化是在連續熱反應爐中進行的。

優選地，在步驟(1)中，所述低溫碳化的溫度為350～700℃，氣氛為氮氣氣氛，張力為5～40MPa

優選地，在步驟(1)中，所述高溫碳化的溫度1000～1400℃，氣氛為氮氣氣氛，張力為10～160MPa。

優選地，在步驟(2)中，所述紅外激光輻照的激光光源的波長為760nm～1mm，功率為4～10kW/cm²。由此，可以進一步提高所得碳纖維的取向度、強度和模量。

優選地，在步驟(3)中，所述γ射線輻照處理是在空氣、真空或惰性氣氛中進行的。

優選地，在步驟(3)中，所述γ射線輻照處理的輻射源為⁶⁰Coγ射線，輻射劑量為10-10000kGy，輻射劑量率為0.01-100kGy/h。由此，可以進一步提高所得碳纖維的取向度、強度和模量。

在本發明的再一個方面，本發明提出了一種高強高模碳纖維。根據本發明的實施例，所述高強高模碳纖維是采用上述所述方法制備得到的。由此，該碳纖維具有較高的強度和模量。