制备高强中模型碳纤维的方法技术

本发明专利技术涉及有机高分子领域，具体地说是一种制备高强中模型碳纤维的方法，包括下列步骤：将聚丙烯腈共聚纤维丝束在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理60～110min，制得密度为1.34±0.02g/cm3的预氧化纤维，再经过常规碳化条件：氮气保护下，在0～4%的牵伸比下，于300～900℃下低温碳化3±1.5min，将所得纤维在1000～1800℃下高温碳化3±1.5min，牵伸比为-4～0%；其中，在低温碳化过程中，需要控制低温炉管道压力在-5～-15Pa之间。本发明专利技术在低温碳化阶段控制管道压力的大小，将会影响预碳化纤维以及碳纤维的结构和性能，可以通过控制低温碳化阶段管道的压力来完善碳纤维的结构和提高其力学性能，从而制备高强中模型碳纤维。

【技术实现步骤摘要】
制备高强中模型碳纤维的方法
本专利技术涉及碳纤维
，具体地说是一种制备高强中模型碳纤维的方法。
技术介绍
我们知道，聚丙烯腈基（PAN）碳纤维的制备过程主要包括原丝成形、预氧化、低温碳化和高温碳化等阶段。在低温碳化过程中，纤维会释放大量的废气（CO、CO2、NH3、CH4、H2O等）和焦油。焦油一旦沾污纤维，轻则变硬、发脆，重则断丝。不让废气在炉内冷凝成焦油和瞬时排出废气、焦油是稳定质量、稳定生产的重要因素之一。目前，对于PAN预氧化纤维低温碳化的研究，局限于如何使低温碳化炉内的热解废气不冷凝为焦油和瞬时排出炉外。然而，随着CO、CO2、NH3、CH4、H2O等气体的释放，纤维内发生复杂的化学变化，由耐热梯形结构向乱层石墨结构的转化。据文献介绍，该阶段的热化学变化主要受热处理温度、时间和张力的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备高强中模型碳纤维的方法，通过合理控制低温碳化阶段的管道压力，来制备结构完善的预碳化纤维，从而制得高强中模型碳纤维。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种制备高强中模型碳纤维的方法，包括下列步骤：将聚丙烯腈共聚纤维丝束在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理60～110min，制得密度为1.34±0.02g/cm3的预氧化纤维，再经过常规碳化条件：氮气保护下，在0～4%的牵伸比下，于300～900℃下低温碳化3±1.5min，将所得纤维在1000～1800℃下高温碳化3±1.5min，牵伸比为-4～0%；其中，在低温碳化过程中，需要控制低温炉管道压力在-5～-15Pa之间。上述的聚丙烯腈共聚纤维丝束可采用湿法或干湿法纺制的纤维。聚丙烯腈共聚纤维丝束为1～48K。上述的聚丙烯腈共聚纤维丝为除含丙烯腈单体外，还包括一种或多种以下单体的共聚物：衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、羟烷基丙烯腈、羟烷基丙烯酸及其酯类、丙烯酰胺、甲叉丁二酸、甲基丙烯酰胺、丙烯醛、甲基丙烯醛、烯丙基氯、α—氯丙烯、二丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯基丙酮、乙烯基吡咯烷酮。本专利技术的有益效果是，在低温碳化阶段控制管道压力的大小，将会影响预碳化纤维以及碳纤维的结构和性能，可以通过控制低温碳化阶段管道的压力来完善碳纤维的结构和提高其力学性能，从而制备高强中模型碳纤维。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述：实施例1：选湿法纺制的威海拓展纤维有限公司生产的，含90%以上丙烯腈单体组分的PAN共聚纤维（其丝束为12K，共聚物组成（wt%）为：丙烯腈（AN）:丙烯酸甲酯（MA）:衣康酸（IA）=96:2.0:2.0），于空气介质中，采用190℃、210℃、220℃、230℃、240℃、260℃六段预氧化炉处理，停留时间为90min，牵伸比为1%，得到密度为1.34g/cm3的预氧化纤维，将预氧化纤维在氮气的保护下，300～900℃温度下进行低温碳化，停留时间均为3min，施加+3%牵伸比；1000～1800℃温度下施加-3%的牵伸比，高温碳化3min。其中，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-6Pa，获得碳纤维。将制备的碳纤维用环氧树脂E44/丙酮/三乙烯四胺（10:15:1）液体上胶固化为条状，再根据国标GB/T3362-2005对相应的碳纤维样品进行力学性能测试，结果见表1。实施例2：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-9Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。实施例3：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-12Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。实施例4：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-15Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。对比例1：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-1Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。对比例2：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-3Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。对比例3：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-20Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。对比例4：采用威海拓展纤维有限公司生产的12KPAN共聚纤维，在低温碳化过程中，控制低温炉管道压力为-25Pa，其它工艺参数及操作同实施例1，获得碳纤维，结果见表1。表1.碳纤维的力学性能数据根据表1中的实施例和对比例可以看出：从对比例1-2和实施例1-4对应的拉伸强度可以看出，当LT炉管道压力较低时，不利于碳纤维结构的完善。从实施例1-4和对比例3-4对应的拉伸强度和拉伸模量可以看出，当LT炉管道压力过大时，容易在纤维结构上引入缺陷。从实施例1-4和对比例1-4对应的拉伸强度和拉伸模量可以看出，LT炉管道压力为-10±5Pa时，所得碳纤维的拉伸强度较高，可到5.5Gpa以上，拉伸模量在290GPa以上。本专利技术测试样品制备方法：将制备的碳纤维用环氧树脂、溶剂和固化剂混合液体上胶固化为条状后，用环氧树脂和固化剂进行试样的制备，试样制备好后，对纤维丝束进行力学性能测试。本专利技术对所制备的碳纤维丝束进行力学性能表征，结果表明：密度为1.34±0.02g/cm3的预氧化纤维，在300～900℃的热处理过程中，当该阶段的管道压力为-10±5Pa时，所得碳纤维的拉伸强度高于5.5GPa，模量高于290GPa。通过实例证明，在低温碳化阶段控制管道压力的大小，将会影响预碳化纤维以及碳纤维的结构和性能，可以通过控制低温碳化阶段管道的压力来完善碳纤维的结构和提高其力学性能，对制备高强中模型碳纤维有很好的指导意义。本专利技术提出了一种新的工艺控制参数：管道压力；当压力较小时，不利于焦油的排放，容易污染纤维；当压力过大时，一方面对低温炉的密封条件要求严格，另一方面，引起炉内负压值过大，在相同的热处理温度下，更容易引起小分子气体的释放，在纤维内分子链上引入缺陷，不利于碳纤维结构的完善。所以应合理设定该阶段的管道压力来制备结构完善的预氧化纤维，从而制备出高强中模型碳纤维。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高强中模型碳纤维的方法，其特征在于，包括下列步骤：将聚丙烯腈共聚纤维丝束在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理60～110min，制得密度为1.34±0.02g/cm3的预氧化纤维，再经过常规碳化条件：氮气保护下，在0～4%的牵伸比下，于300～900℃下低温碳化3±1.5min，将所得纤维在1000～1800℃下高温碳化3±1.5min，牵伸比为‑4～0%；其中，在低温碳化过程中，需要控制低温炉管道压力在‑5～‑15Pa之间。

【技术特征摘要】
1.一种制备高强中模型碳纤维的方法，其特征在于，包括下列步骤：将聚丙烯腈共聚纤维丝束在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理60～110min，制得密度为1.34±0.02g/cm3的预氧化纤维，再经过常规碳化条件：氮气保护下，在0～4%的牵伸比下，于300～900℃下低温碳化3±1.5min，将所得纤维在1000～1800℃下高温碳化3±1.5min，牵伸比为-4～0%；其中，在低温碳化过程中，需要控制低温炉管道压力在-5～-15Pa之间。2.根据权要求１所述制备高强中模型碳纤维的...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛宗杰，张月义，李松峰，曹明海，王文义，王宝铭，
申请(专利权)人：威海拓展纤维有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37