一种微纳膜状碳纤维及其制备方法技术

一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于：将配制的纺丝原液经过聚合后均匀涂覆在基材上形成微纳米厚度的聚合物涂层；纺丝成微纳米厚度的丝膜；然后以电感应加热辅之以辅助加热的方式使之热稳定化和碳化形成碳膜，碳膜与基材形成复合微纳膜状碳纤维；将基材脱除，形成单纯微纳膜状碳纤维；以上述单纯微纳膜状碳纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状碳纤维。本发明专利技术的一种微纳膜状碳纤维结构及其制备方法可显著提高碳纤维性能，改善碳纤维结构，提高生产效率和降低制造成本。

Micro nano film type carbon fiber and preparation method thereof

A kind of micro nano carbon fiber membrane and preparation method thereof, which is characterized in that the spinning solution is prepared through polymerization after evenly coated on the substrate to form a polymer coated micro nano thickness; spun silk film micro nano thickness; then by electric thermal stability of induction heating assisted by auxiliary heating mode to make it and carbide forming carbon film, carbon film and the substrate to form a composite micro nano carbon fiber film; substrate removal, formation of pure micro nano carbon fiber membrane; the simple micro nano carbon fiber membrane as the substrate, repeated in accordance with the above process, the preparation of micro nano laminated film of carbon fiber. The invention relates to a micro nano film type carbon fiber structure and a preparation method thereof, which can remarkably improve the performance of the carbon fiber, improve the structure of the carbon fiber, improve the production efficiency and reduce the manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳纤维技术，具体为一种微纳膜状碳纤维及其制备方法。
技术介绍
碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由有机纤维经碳化及石墨化处理得到沿纤维轴向方向堆砌而成的微晶石墨材料。碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，是一种力学电学性能优异的新材料。目前量产的碳纤维拉伸强度约为2到7GPa，拉伸模量约为200到700GPa。密度约为1.5到2.0克每立方厘米，一般经过高温3000℃石墨化处理，密度可达2.0克每立方厘米。比重比铝还要轻，不到钢的1/4，比强度可以达到钢铁的几十倍。是具有最高的比强度和比模量高性能纤维之一。同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有显著的各向异性柔软，可加工成各种织物。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有复合结构材料中是最高的。在不接触空气和氧化剂时，碳纤维能够耐受3000度以上的高温，具有突出的耐热性能。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，完全不存在生锈的问题。碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化。碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维;按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100G帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000兆帕、模量250G帕)和高模型(模量300G帕以上)。强度大于4000兆帕的又称为超高强型;模量大于450G帕的称为超高模型。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。市场上90%以上碳纤维以PAN基碳纤维为主。用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、黏胶丝或酚醛纤维经碳化制造碳纤维的工艺包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化、不熔化)、碳化、石墨化等四个过程。由于碳纤维的理论抗拉强度高达180GPa，理论模量大于1100GPa，可见提升的潜力非常大。提高碳纤维强度和性价比的技术方法主要有如下几种：（1）首先，缺陷孔洞最少最小化是提高碳纤维强度的根本措施。（2）原丝高纯化、高强化、致密化以及圆整化。（3）在预氧化过程中，保证均质化的前提下，尽可能缩短预氧化时间以降低生产成本。（4）由于高温炭化温度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。所以尽可能采用新一代高温技术，如在惰性气体保护、无氧状态下进行的微波、等离子和感应加热等技术。但现有技术无法将碳纤维原丝，中间体及制成品制备到微纳米的尺度，因此在如下四个方面遇到了难以克服的技术障碍：1、碳纤维原丝直径难以减小到微米及微米以下，碳纤维最终产品本质上会存在大量的缺陷和孔洞，缺陷和孔洞又是影响碳纤维性能的主要瓶颈。因为在纺丝、热稳定化(预氧化)和碳化等三个工艺阶段均存在扩散和“双扩散”通道，这些通道最终构成了碳纤维制成品缺陷和孔洞，减少、减小缺陷就是要努力减少“双扩散”通道数量，长度和大小。计算表明，扩散通道的数量和长度高度相关于薄膜厚度(相当于纤维的细度)次方幂，小于等于2，“细旦化”是最有效的方法。目前实验室中最高强度的碳纤维（强度9G）直径是3μｍ，只有规模化生产的碳纤维直径7μｍ的一半（对应强度7G）。但是传统的纺丝技术很难将单丝直径按照碳纤维原丝的要求制到小于2μｍ，且过细的纤维给机械拉伸等工艺带来很大的困难。不能足够的“细旦化”，缺陷孔洞的减少减小就难以实现，因此近年来碳纤维强度的提高出现了停滞。2、碳纤维原丝直径难以减小到微米及微米以下，碳纤维“皮芯结构”就难以避免。纺丝、热稳定化(预氧化)和碳化等阶段的扩散和“双扩散”时温度梯度沿径向是由外而内减小的，其致密化、玻璃化和环化热收缩也是由外而内，必然造成致密的皮层和疏松的芯部，并且需要始终由外而内保留扩散和“双扩散”通道而无法封闭。碳纤维原丝直径较大也造成了扩散物质沿径向浓度梯度变化较大，同样加剧了“皮芯结构”的形成。3、碳纤维原丝直径难以减小到微米及微米以下，为使扩散和“双扩散”通道不至于增多和扩大，工艺过程缓慢复杂，导致工艺流程长，生产效率低。4、碳纤维直径较大，难以采用电感应等先进加热方法。传统加热方法热效率低，工艺时间长，原料损耗大，造成碳纤维成本居高不下。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述碳纤维工艺方法和结构缺陷，提供一种可提高碳纤维性能，改善碳纤维结构，提高生产效率和降低制造成本的微纳膜状碳纤维结构及其制备方法。本专利技术的技术方案是：一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于：将配制的纺丝原液经过聚合后均匀涂覆在基材上形成微纳米厚度的聚合物涂层；纺丝成微纳米厚度的丝膜；然后以电感应加热辅之以辅助加热的方式使之热稳定化和碳化形成碳膜，碳膜与基材形成复合微纳膜状碳纤维；将基材脱除，形成单纯微纳膜状碳纤维；以上述单纯微纳膜状碳纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状碳纤维。上述进一步的技术方案是将碳化后单纯微纳膜状碳纤维以电感应加热辅之以辅助加热的方式石墨化，与基材形成复合微纳膜状石墨纤维，将基材脱除，形成单纯微纳膜状石墨纤维，以上述单纯微纳膜状石墨纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状石墨纤维。上述单纯微纳膜状碳纤维的碳膜厚度为1nm～1.5μm，优选10nm～300nm，上述纺丝聚合物涂层的厚度是上述碳膜厚度的1～5倍。上述配制的纺丝原液可以是聚丙烯腈基、沥青基、黏胶基、酚醛基。上述聚丙烯腈基纺丝原液由丙烯腈单体、常规的少量第二、第三单体、引发剂、溶剂组成。上述沥青基纺丝原液指精制沥青熔体。上述黏胶基纺丝原液由纤维素黄原酸钠，溶剂组成。上述酚醛基纺丝原液指酚醛树脂熔体。上述基材可以是实心或空心的金属材料和镀金属膜的非金属材料。上述金属材料指铁、镍、铜、钛、铝、镁、银金属及其合金。优选铁镍合金、钛合金、镁合金。上述非金属材料指有机高分子材料。所镀金属指铁、镍、铜、铝、钛、镁、银金属。镀膜方法有化学镀、电镀、蒸镀和喷涂。优选的，在上述材料中掺硼。上述基材的形状有纤维型，面板型。进一步的，纤维型分圆形和非圆形。优选为圆形。其中，圆形的直径为1μm～30mm,优选为3μm～10μm和 3mm～10mm。非圆形的截面积1μm2～1000mm2 , 优选为10μm2～100μm2和10mm2～100mm2。进一步的，面板型高度为1μm～3 mm,优选为1μm～30μm。宽度不限。上述纺丝原液在基材上的涂覆方法有浸涂，喷涂。上述纺丝采用干法和湿法。进一步地，根据纺丝原液来选择热稳定化方式，其中聚丙烯腈基和酚醛基为预氧化；沥青基为不熔化；黏胶基为热处理；包括，聚丙烯腈纤维预氧化的工艺温度200到300℃；沥青不融化的工艺温度200到400℃；黏胶纤维热处理的工艺温度240到300℃；酚醛基纤维预氧化的工艺温度220到300℃，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于：将配制的纺丝原液经过聚合后均匀涂覆在基材上形成微纳米厚度的聚合物涂层；纺丝成微纳米厚度的丝膜；然后以电感应加热辅之以辅助加热的方式使之热稳定化和碳化形成碳膜，碳膜与基材形成复合微纳膜状碳纤维；将基材脱除，形成单纯微纳膜状碳纤维；以上述单纯微纳膜状碳纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于：将配制的纺丝原液经过聚合后均匀涂覆在基材上形成微纳米厚度的聚合物涂层；纺丝成微纳米厚度的丝膜；然后以电感应加热辅之以辅助加热的方式使之热稳定化和碳化形成碳膜，碳膜与基材形成复合微纳膜状碳纤维；将基材脱除，形成单纯微纳膜状碳纤维；以上述单纯微纳膜状碳纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状碳纤维。2.根据权利要求1所述的一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于碳化后单纯微纳膜状碳纤维以电感应加热辅之以辅助加热的方式石墨化，与基材形成复合微纳膜状石墨纤维，将基材脱除，形成单纯微纳膜状石墨纤维，以上述单纯微纳膜状石墨纤维为基材，按照上述工艺方法重复进行，制备叠层微纳膜状石墨纤维。3.根据权利要求1所述的一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于所述纺丝聚合物涂层的厚度是1.5nm～7.5μm，优选10nm～1.5μm；所述的纺丝聚合物涂层经热稳定化和碳化后形成的单纯微纳膜状碳纤维的碳膜厚度为1nm～1.5μm，优选10nm～300nm。4.根据权利要求1所述的一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于所述配制的纺丝原液可以是聚丙烯腈基纺丝原液、沥青基纺丝原液、黏胶基纺丝原液、酚醛基纺丝原液中的一种。5.根据权利要求4所述的一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于所述聚丙烯腈基纺丝原液由丙烯腈单体、常规的少量第二、第三单体、引发剂、溶剂组成。6.根据权利要求4所述的一种微纳膜状碳纤维及其制备方法，其特征在于所述沥青基纺丝原液指沥青熔体。7.根据权利要求4所述的一种微纳膜状碳纤维及其制...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭阳，
申请(专利权)人：孙旭阳，
类型：发明
国别省市：浙江;33