[發明專利]一種具有表面溝槽結構的大直徑高強中模碳纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 202010174019.3
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111254521B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 王宇;王云峰;徐樑華;王一葦;高愛君;李常清;童元建;趙振文;曹維宇
• 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;C08F220/46;C08F222/02;C08F220/14;D01D5/06;D01D5/253
• 代理公司: 北京太兆天元知識產權代理有限責任公司 11108
• 代理人: 張洪年

本發明涉及一種具有表面溝槽結構的大直徑高強中模碳纖維及其制備方法。該纖維具有表面溝槽結構，平均直徑在8.5μm～11μm，強度在4.9～6.0GPa，模量在270GPa～310GPa。采用濕法紡絲技術制備原絲，通過調控預氧化階段各溫區預氧化時間比，控制預氧纖維的皮芯比≥0.85，再經過低溫碳化、高溫碳化制得具有表面溝槽結構的大直徑高強中模碳纖維。所制得的具有表面溝槽結構的大直徑高強中模碳纖維不僅提升了纖維的準直性，也改善了復合材料制備中樹脂的浸潤性，最終提升了復合材料應用中的壓縮強度等力學性能。

技術領域

本發明涉及一種具有表面溝槽結構的大直徑高強中模聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法，屬于纖維技術領域。

背景技術

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維因其輕質、高強、高模等一系列優異的性能被廣泛應用航天航空、國防軍工、建筑補強、石油化工和休閑體育等領域，成為二十一世紀最具影響力的新型纖維材料之一。碳纖維根據其強度及模量等力學性能的不同而分為高強型(強度2000MPa、模量250 GPa)，高強中模型(強度5300MPa以上、模量280Gpa以上)，高模型 (模量300GPa以上)，超高強型(強度大于6000MPa)，超高模型(模量大于450GPa)等。

高強中模碳纖維由于其增強效果明顯，以T800級碳纖維為代表，包括IM6、IM7、IMS等，它們的纖維直徑均在5～6μm之間，主要用于結構材料的制備，它所制備的復合材料成為航天航空領域重要材料。高強中模碳纖維復合材料的拉伸性能非常好，贏得了眾多應用領域的青睞，然而，其作為重要的主承力材料，結構件在平行纖維方向會受到不容忽視的壓縮應力，就像飛機和運載火箭在轉向過程中，飛機或火箭主體材料，一面承受拉應力，一面承受壓應力，這就對復合材料的強度和抗壓能力均提出了越來越高的要求，但現使用的高強中模碳纖維其壓縮強度與拉伸強度嚴重失衡。

在實際應用中發現，碳纖維的準直性是影響其復合材料壓縮性能的重要因素，碳纖維直徑越大，其的準直性越好，有益于提升其復材的壓縮強度。同時，碳纖維的表面溝槽結構和其直徑的增加，有益于提高碳纖維的樹脂浸潤性，使其在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。但濕法紡制的具有表面溝槽的PAN原絲制備的碳纖維，較干濕法制備的表面光潔的PAN原絲制備的碳纖維，因表面溝槽的缺陷結構，強度很難提升，目前市面上有售的超高強度碳纖維均為干濕法紡制的原絲制備的可以說明該問題。相比于干濕法而言，制備表面具有溝槽結構的大直徑高強中模碳纖維難度較大。而采用干濕法原絲制備大直徑高強中模碳纖維，相對較容易，但因其表面光滑也會降低復合材料的界面性能。

現多采用降低直徑的方法來提高具有表面溝槽結構碳纖維的力學性能，但同樣也帶來了其復材拉壓比不平衡等問題，如何兼顧三者，在保持碳纖維性能指標前提下，增加具有表面溝槽結構碳纖維的直徑是個有效方法，同時這對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具有重要的積極意義。

對于大直徑高強中模碳纖維，專利：CN102766989A公開了一種具有中模量的高強度聚丙烯腈基碳纖維的制備方法，其方法通過在原絲制備過程中，逐級控制纖維中溶劑的含量，并對纖維進行有效牽伸，碳纖維性能為：4.2～6.0GPa，拉伸模量為260～310GPa，碳纖維直徑為4～ 8μm；專利：CN109252251A公布了大直徑干濕法聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法，其方法為干噴濕紡技術并控制原絲直徑的調控，制得碳纖維性能為直徑7～20μm、拉伸強度3.8～5.9GPa、拉伸模量230～300GPa 的大直徑聚丙烯腈碳纖維；專利：CN109082730A公布了大直徑聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法，其纖維性能為直徑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。