[發明專利]大直徑聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法

在審

• 申請號: 201810903315.5
• 申請日: 2018-08-09
• 公開（公告）號: CN109082730A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 李常清;徐樑華;任瑞;童元建;高愛君;王琦;趙振文;曹維宇;王宇
• 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
• 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: 宋林清

本發明公開了大直徑聚丙烯腈碳纖維及其制備方法，方法包括：(1)將丙烯腈與衣康酸二元共聚物或丙烯腈、衣康酸和丙烯酸甲酯三元共聚物紡絲溶液依次進行噴絲板噴絲、凝固、一次牽伸、水洗、上油、干燥、二次牽伸和熱定型，得到大直徑聚丙烯腈原絲；(2)將大直徑原絲進行預氧化和碳化，得到大直徑聚丙烯腈碳纖維，在凝固過程中，控制凝固絲條的直徑為90～155μm，在水洗過程中，控制水洗纖維的直徑為32～54μm，在干燥過程中，控制干燥致密化纖維的直徑為25～42μm。采用該方法得到纖度252～716tex、直徑16～30μm的大直徑聚丙烯腈原絲，然后對該原絲進行預氧化和碳化后，最終制備得到直徑10～20μm、拉伸強度3.8～4.6GPa、拉伸模量230～260GPa的大直徑聚丙烯腈碳纖維。

技術領域

本發明屬于碳纖維技術領域，具體而言，本發明涉及大直徑聚丙烯腈碳纖維及其制備方法。

背景技術

聚丙烯腈碳纖維是一類與國民經濟和國防安全密切相關的戰略性關鍵材料，在航空航天、能源工業、建筑、交通運輸、體育用品等領域均有著廣闊的應用。

以日本東麗公司和美國赫氏公司為代表，各國碳纖維企業不斷進行創新和改進，開發了不同牌號性能各異的碳纖維材料，但總體來說，從纖維直徑來分，基本上只有兩類，一類是7μm左右，如東麗T300、T700和M40級碳纖維，另一類是5.4μm左右，如東麗T800、T1000和M55J等MJ系列的碳纖維，纖維直徑越細，通常具有更高的拉伸強度和拉伸模量，如圖1所示。

國內碳纖維行業一直以來跟蹤國外碳纖維產品，常常以東麗公司產品作為對標參照，先后開發了高強型T300、T700，高強中模型T800、T1000，高模型M40，高強高模型M40J、M50J、M55J等碳纖維產品，生產的碳纖維產品現階段基本滿足了一般工業領域和重大領域的需求，但上述碳纖維產品的直徑也是7μm或5.4μm左右。

現有的研究實踐表明，原絲的細旦化是提高碳纖維力學性能的有效手段，直徑較小的碳纖維往往具有較好的力學性能。但從實際應用中發現，碳纖維直徑越大，與樹脂復合制備復合材料時絲束浸膠越容易浸透、成型效率越高、復合材料壓縮強度越高。在保持碳纖維通用性能指標前提下，大直徑碳纖維有利于碳纖維生產效率的提高、生產成本的降低、碳纖維制備技術進步。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種大直徑聚丙烯腈碳纖維及其制備方法，該方法首先通過控制凝固過程中凝固絲條的直徑、水洗過程中水洗纖維的直徑以及干燥過程中干燥致密化纖維的直徑，得到纖度252～716tex、直徑16～30μm的大直徑聚丙烯腈原絲，然后對該大直徑聚丙烯腈原絲進行預氧化和碳化后，最終制備得到直徑10～20μm、拉伸強度3.8～4.6GPa、拉伸模量230～260GPa的大直徑碳纖維，發明了有史以來拉伸強度達到T300水平直徑最粗的碳纖維的制備方法。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備大直徑聚丙烯腈原絲的方法。根據本發明的實施例，所述方法包括：(1)將丙烯腈與衣康酸二元共聚物或丙烯腈、衣康酸和丙烯酸甲酯三元共聚物紡絲溶液依次進行噴絲板噴絲、凝固、一次牽伸、水洗、上油、干燥、二次牽伸和熱定型，以便得到大直徑聚丙烯腈原絲；(2)將所述大直徑聚丙烯腈原絲依次進行預氧化和碳化處理，得到大直徑聚丙烯腈碳纖維，其中，在所述凝固過程中，控制凝固絲條的直徑為90～155μm，在所述水洗過程中，控制水洗纖維的直徑為32～54μm，在所述干燥過程中，控制干燥致密化纖維的直徑為25～42μm。

優選的，所述丙烯腈與衣康酸二元共聚物和所述丙烯腈、衣康酸和丙烯酸甲酯三元共聚物，其溶劑為二甲基亞砜、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或硫氰酸鈉水溶液任一種。