[發明專利]低石墨化程度的高強高模碳纖維及其制備方法

在審

• 申請號: 201811101975.8
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109280997A
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 曹維宇;徐樑華;童元建;李常清;趙振文;王宇;高愛君
• 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

本發明公開了低石墨化程度的高強高模碳纖維及其制備方法，方法包括：(1)將丙烯腈和衣康酸或丙烯腈和衣康酸與丙烯酸甲酯進行聚合，得到聚合物紡絲溶液；(2)將所述聚合物紡絲溶液依次進行凝固、蒸汽牽伸、水洗、上油、干燥、過熱蒸汽牽伸和熱定型，得到聚丙烯腈原絲；(3)將所述聚丙烯腈原絲進行預氧化、碳化和石墨化處理，以便得到碳纖維，其中，在步驟(3)中，所述石墨化處理的溫度為2000～2200攝氏度，時間為3～5分鐘，牽伸6.0％～10.0％。采用該方法可以在相對較低的石墨化溫度下獲得較規整的石墨化重排結構，從而獲得高強高模碳纖維，降低了高強高模碳纖維生產成本。具體的，所得到的碳纖維的線密度225～235g/km(6K)、435～447g/km(12K)，體密度為1.77～1.79g/cm³，拉伸強度為4.4～5.0GPa，拉伸模量為350～400GPa。

技術領域

本發明屬于碳材料制備領域，具體而言，本發明涉及低石墨化程度的高強高模碳纖維及其制備方法。

背景技術

在高性能碳纖維的眾多品種中，高強高模纖維由于其在宇宙空間開發技術中的獨特應用，占據著重要的地位。高模高強碳纖維具有高比模量、高比強度的特性，同時具有尤其是尺寸穩定性好、耐腐蝕、疲勞性能好、抗振性好等特點，作為一種理想的結構增強材料，主要應用于衛星等外空間飛行器的結構材料。

由于高強高模碳纖維在制備過程中，需要經歷至少2000攝氏度以上的高溫石墨化處理，其石墨化程度不斷提高后才能獲得高模量特性，因此其生產過程中耗能較大，同時由于設備的惰性氣體密封等問題，導致加熱設備在高溫下壽命較短，影響了生產效率和產品性能穩定性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種低石墨化程度的高強高模碳纖維及其制備方法，采用該方法可以在相對較低的石墨化溫度下獲得較規整的石墨化重排結構，從而獲得高強高模碳纖維，降低了高強高模碳纖維生產成本。具體的，所得到的碳纖維的線密度225～235g/km(6K)、435～447g/km(12K)，體密度為1.77～1.79g/cm³，拉伸強度為4.4～5.0GPa，拉伸模量為350～400GPa。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備低石墨化程度的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)將丙烯腈和衣康酸或丙烯腈和衣康酸與丙烯酸甲酯進行聚合，得到聚合物紡絲溶液；(2)將所述聚合物紡絲溶液依次進行凝固、蒸汽牽伸、水洗、上油、干燥、過熱蒸汽牽伸和熱定型，得到聚丙烯腈原絲；(3)將所述聚丙烯腈原絲進行預氧化、碳化和石墨化處理，以便得到碳纖維，其中，在步驟(3)中，所述石墨化處理的溫度為2000～2200攝氏度，時間為3～5分鐘，牽伸6.0％～10.0％。

優選的，在步驟(1)中，所述聚合物紡絲溶液的固含量為20～25wt％。

優選的，在步驟(1)中，所述聚合溫度為55～65攝氏度，時間為17～30小時。

優選的，在步驟(2)中，所述凝固過程采用三級梯度凝固：第一凝固浴濃度為65～80wt％，溫度為30～65攝氏度，凝固牽伸倍數為0.5～1.0倍，第二凝固浴濃度為35～50wt％，溫度為30～65攝氏度，第三凝固浴濃度為5～10wt％，溫度為30～65攝氏度。

優選的，在步驟(2)中，所述蒸汽牽伸的倍數為4.0～7.0。

優選的，在步驟(2)中，所述水洗采用溫度梯度水洗，所述水洗溫度為60～90攝氏度。

優選的，在步驟(2)中，所述上油過程的油劑濃度為0.8～1.5wt％。

優選的，在步驟(2)中，所述干燥過程采用溫度梯度干燥，所述干燥的溫度為100～150攝氏度。

優選的，在步驟(2)中，所述過熱蒸汽的溫度為120～160攝氏度，牽伸2.0～3.0倍。