[發明專利]一種聚丙烯腈基碳纖維及其穩定化方法

有效

• 申請號: 202011270192.X
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112410934B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 周鴻康;王欣;王湘麟;劉玉鋨
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 潘登

本發明提供一種聚丙烯腈基碳纖維及其穩定化方法，所述穩定化方法包括：將聚丙烯腈基纖維前驅體依次通過低溫、中溫、高溫和超高溫進行穩定化處理，得到聚丙烯腈基穩定化纖維；所述低溫下的氧氣濃度≤所述中溫下的氧氣濃度＜所述高溫下的氧氣濃度≤所述超高溫下的氧氣濃度；所述穩定化方法有效降低了聚丙烯腈基纖維前驅體在穩定化過程中的熱降解，提高了纖維內部石墨帶的大小和完善度，降低了皮芯效應，為制備高性能碳纖維奠定了基礎。所述穩定化方法處理后的聚丙烯腈基碳纖維具有較高的熱穩定性和拉伸強度，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于纖維制備技術領域，具體涉及一種聚丙烯腈基碳纖維及其穩定化方法。

背景技術

碳纖維作為高性能纖維的一種，具有低密度、高拉伸強度、高拉伸模量和化學耐受性好等優點，已經被廣泛應用于運動、醫療、航天、汽車等領域。其中，以聚丙烯腈為前驅體的碳纖維技術最成功，各方面性能最好，逐漸成為碳纖維的主流。聚丙烯腈的均聚物或共聚物是制造高性能碳纖維最重要的前驅體，占全球碳纖維產量的近90％。但是，目前商業碳纖維的強度遠沒有達到理論值，前驅體在制備過程很容易發生降解，使得其石墨化結構較小且不完善，導致最終碳纖維強度較低。

聚丙烯腈基碳纖維的制備主要包括穩定化、炭化和石墨化三個主要過程，其中，穩定化過程被認為是其中決定性的一步，不僅因為穩定化過程的成本占總成本的48％，更是因為其很大程度上決定了纖維的最終結構，從而決定了纖維的最終力學性能，因此減少穩定化過程熱降解和提高穩定化程度是是獲得高拉伸強度碳纖維的基礎。

CN111088557A公開了聚丙烯腈基熱穩定化纖維的制備方法，該方法在穩定化過程中采用梯度升溫環化的方法，同時以丙烯腈纖維的環化指數和氧化指數作為纖維熱穩定化程度及質量控制的指標；得到的高性能碳纖維，具有拉伸強度和拉伸模量高的優點，取得了較好的技術效果。雖然這種方法有利于制備高性能的碳纖維，但是這種方法穩定性較差，是因為并沒有從根本上解決在熱穩定化過程中容易產生熱降解這個問題。

CN108823683A公開了一種制備聚丙烯腈碳纖維的方法，該方法采用聚丙烯腈為第一單體，丙烯酸甲酯等物質為第二單體，衣康酸等作為第三單體，加入引發劑、甲醇、分子量調節劑、酸化水溶劑等，通過對原料組成的優化，提高了聚丙烯腈基碳纖維原絲預氧化過程中纖維徑向的結構均勻性，避免了預氧化過程中產生皮芯結構，從根本上提升了聚丙烯腈基碳纖維的力學性能。CN104047073B公開了一種聚丙烯腈預氧化處理裝置及方法，利用微波加熱的原理使氧化劑溶液中的氧分子能隨著極化運動被帶入到聚丙烯腈纖維原絲內部，在內部參與預氧化反應，盡量使預氧化程度達到表里一致，達到降低皮芯效應的目的；同時，移動的加熱爐能和移動的聚丙烯腈纖維形成空氣對流，能更好地帶走副反應的反應熱，提高聚丙烯腈纖維經預氧化處理后得到的預氧絲的質量。雖然這兩種方法都對穩定化過程的熱降解有或多或少的緩和作用，但是上述兩種方法的穩定化過程仍然在在空氣氣氛中進行，而空氣中過量的氧氣可能會引發鏈降解行為，影響最終碳纖維產品的性能。

因此，開發一種能夠避免穩定化過程中發生熱降解、提高纖維內部石墨帶的大小和完善度、降低皮芯效應的穩定化方法，用于聚丙烯腈基碳纖維的制備，是本領域的研究重點。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種聚丙烯腈基碳纖維及其穩定化方法，所述穩定化方法將聚丙烯腈基纖維前驅體依次通過低溫、中溫、高溫和超高溫進行穩定化處理，并通過調整所述低溫、中溫、高溫和超高溫下的氧氣濃度，減少了聚丙烯腈基碳纖維的熱降解程度，使得最終制備的碳纖維具有優異的拉伸性能。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種聚丙烯腈基碳纖維的穩定化方法，所述穩定化方法包括：將聚丙烯腈基纖維前驅體依次通過低溫、中溫、高溫和超高溫進行穩定化處理，得到聚丙烯腈基穩定化纖維；所述低溫、中溫、高溫、超高溫的溫度依次升高。