聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法技术

技术编号:15242292 阅读:272 留言:0更新日期:2017-05-01 04:09
本发明专利技术涉及一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,主要解决现有技术中存在的聚丙烯腈热稳定化工艺影响碳纤维性能的问题,通过采用将聚丙烯腈原丝在至少三个含氧气体气氛的常压热稳定化炉中190~270℃范围内进行热处理不低于40min,总牵伸为不高于6%;将上述热处理后的纤维通过至少一个惰性气体气氛的常压热稳定化炉,在240~270℃条件下进行热处理不低于5min,牵伸为-2~0%;再在惰性气体条件下,350~1400℃范围内进行碳化处理4~8min,总牵伸为-2~2%的技术方案,较好地解决了该问题,可用于聚丙烯腈原丝热稳定化和碳化过程的工业生产中。

Preparation method of polyacrylonitrile based high performance carbon fiber

The invention relates to a preparation method for polyacrylonitrile based high performance carbon fiber, which mainly solves the influence of polyacrylonitrile thermal stabilization process and the problems in the prior art performance of carbon fiber, through the use of the atmospheric thermal stabilization of polyacrylonitrile fibers in the furnace at least three oxygen gas atmosphere of 190 to 270 DEG C for heat treatment not less than 40min, the total drawing is not higher than 6%; the thermal stabilization of the furnace heat treatment after the fiber through at least one inert gas atmosphere, heat treatment at 240 to 270 DEG C under the condition of not less than 5min, the drafting of -2 to 0%; then in the inert gas condition, 350 to 1400 DEG C in the carbonization process of 4 ~ 8min, -2 ~ 2% of the total draft technical scheme, solves the problem, can be used for polyacrylonitrile thermal stabilization and carbonization process in industrial production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,属于聚丙烯腈碳纤维制备

技术介绍
提高聚丙烯腈热稳定化纤维结构的致密性,减少结构缺陷有利于提高最终碳纤维的力学性能。聚丙烯腈分子链在热稳定化过程中会结合空气中的氧形成含氧结构,此类含氧结构在惰性气氛中又能进一步发生缩聚反应,使聚丙烯腈纤维形成更加致密的网络结构,有利于提高碳纤维的力学性能。部分缩聚反应是在后续碳化过程中进行的,而聚丙烯腈纤维在碳化过程聚丙烯腈碳纤维具有高比强度、耐高温及抗腐蚀等一系列优异性能,广泛应用于国防领域和民用领域。聚丙烯腈碳纤维的制备主要包括聚合、纺丝、热稳定化和碳化等工艺。聚丙烯腈的热稳定化是将聚丙烯腈原丝的线性大分子链转化为耐热的梯型聚合物结构,使其在后续的碳化过程中不熔不燃,保持热力学稳定状态,是制备高性能碳纤维的关键步骤。国内外学者对聚丙烯腈热稳定化工艺进行了大量研究,目前普遍采用的热稳定化工艺为:将聚丙烯腈原丝在常压空气气氛条件下,180~280℃范围内进行梯度升温热处理60min左右。提高聚丙烯腈热稳定化纤维结构的致密性,减少结构缺陷有利于提高最终碳纤维的力学性能。聚丙烯腈分子链在热稳定化过程中会结合空气中的氧形成含氧结构,此类含氧结构在惰性气氛中又能进一步发生缩聚反应,使聚丙烯腈纤维形成更加致密的网络结构,有利于提高碳纤维的力学性能。部分缩聚反应是在后续碳化过程中进行的,而聚丙烯腈纤维在碳化过程中同时发生热裂解反应,导致存在含氧结构的分子链片段脱除,从而不利于提高碳纤维的力学性能。因此,在热稳定化过程中使聚丙烯腈分子链中的含氧结构充分发生缩聚反应,对提高纤维的致密性,减少结构缺陷,从而提高碳纤维的力学性能具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要要解决的技术问题是现有技术中存在的聚丙烯腈纤维分子链在热稳定化过程不能充分发生缩聚反应导致影响最终碳纤维性能的问题,提供了一种新的制备聚丙烯腈基高性能碳纤维的工艺。该工艺提高了碳纤维的力学性能。为解决上述技术问题,本专利技术采用的技术方案如下:一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,具体步骤包括:(1)将聚丙烯腈原丝在至少三个含氧气体气氛的常压热稳定化炉中190~270℃范围内进行热处理不低于40min,总牵伸为不高于6%;(2)将上述热处理后的纤维通过至少一个惰性气体气氛的常压热稳定化炉,在240~270℃条件下进行热稳定化处理不低于5min,牵伸为-2~0%;(3)将上述经热稳定化处理后的纤维在惰性气体条件下,350~1400℃范围内进行碳化处理4~8min,总牵伸为-2~2%,得到所述高性能碳纤维。上述技术方案中,优选方案如下:所述步骤(1)中含氧气体气氛的常压热稳定化炉为5个。5个含氧气体气氛的常压热稳定化炉的温度范围依次分别为190~210℃,210~220℃,220~240℃,240~260℃,260~270℃;更优选温度范围为200~210℃,210~215℃,225~235℃,245~255℃,260~265℃。每个含氧气体气氛的常压恒温区的热处理时间为9~11min,该步骤中总热处理时间为45~55min。5个含氧气体气氛的常压热稳定化炉的总牵伸为3~5%。所述步骤(2)中惰性气体气氛的常压热稳定化炉的温度范围为255~265℃,该温度不高于最后一个含氧气体气氛热稳定化炉的温度。该热稳定化炉的热处理时间为8~12min,牵伸范围为-1.5~-0.5%。所述步骤(3)中碳化处理包括低温碳化和高温碳化两个过程;低温碳化温度为350~700℃,热处理时间为2~4min,牵伸为0~4%;高温碳化温度为1300~1400℃,热处理时间为2~4min,牵伸为-4~-2%。本专利技术首先将聚丙烯腈原丝在空气气氛中进行热稳定化处理,在此过程中聚丙烯腈原丝线性分子链转化成耐热的梯型聚合物结构,并且产生一定量的含氧结构;将得到的聚丙烯腈纤维在氮气气氛中再次进行热稳定化处理,在此过程中聚丙烯腈分子链中的含氧结构充分发生缩聚反应,进一步提高了纤维的致密性,减少了结构缺陷;最后将聚丙烯腈热稳定化纤维经过碳化处理后,得到的碳纤维具有更加完善的类石墨结构。通过本专利技术涉及的工艺制备的碳纤维具有更高的力学性能,其应用前景良好。采用本专利技术的技术方案,得到的碳纤维力学性能较好,拉伸强度可达5.66GPa,拉伸模量可达301GPa,取得了较好的技术效果。附图说明图1是本专利技术热稳定化工艺流程示意图。具体实施方式【实施例1】首先将聚丙烯腈原丝在三个空气热稳定化炉依次进行热处理,温度分别为230℃,250℃,270℃。每个空气热稳定化炉的恒温区等长,总热处理时间为60min。三个空气热稳定化炉的总牵伸为6%。然后将得到的纤维再氮气稳定化炉进行热处理,温度为270℃,稳定化炉的时间为12min,牵伸为-2%。最后将得到的热稳定化纤维进行低温碳化和高温碳化处理。低温碳化温度为350~700℃,热处理时间为3min,牵伸为3%;高温碳化温度为1350℃,热处理时间为3min,牵伸为-3.5%。本实施例所得碳纤维力学性能结果为:拉伸强度4.77GPa,拉伸模量283GPa。【实施例2】首先将聚丙烯腈原丝在五个空气热稳定化炉依次进行热处理,温度分别为190℃,218℃,240℃,260℃,270℃。每个空气热稳定化炉的恒温区等长,总热处理时间为60min。五个空气热稳定化炉的总牵伸为6%。然后将得到的纤维再氮气稳定化炉进行热处理,温度为270℃,稳定化炉的时间为12min,牵伸为-2%。最后将得到的热稳定化纤维进行低温碳化和高温碳化处理。低温碳化温度为350~700℃,热处理时间为3min,牵伸为3%;高温碳化温度为1350℃,热处理时间为3min,牵伸为-3.5%。本实施例所得碳纤维力学性能结果为:拉伸强度4.91GPa,拉伸模量291GPa。【实施例3】首先将聚丙烯腈原丝在五个空气热稳定化炉依次进行热处理,温度分别为200℃,215℃,230℃,255℃,265℃。每个空气热稳定化炉的恒温区等长,总热处理时间为60min。五个空气热稳定化炉的总牵伸为6%。然后将得到的纤维再氮气稳定化炉进行热处理,温度为265℃,稳定化炉的时间为12min,牵伸为-2%。最后将得到的热稳定化纤维进行低温碳化和高温碳化处理。低温碳化温度为350~700℃,热处理时间为3min,牵伸为3%;高温碳化温度为1350℃,热处理时间为3min,牵伸为-3.5%。本实施例所得碳纤维力学性能结果为:拉伸强度5.08GPa,拉伸模量287GPa。【实施例4】首先将聚丙烯腈原丝在五个空气热稳定化炉依次进行热处理,温度分别为205℃,213℃,230℃,250℃,262℃。每个空气热稳定化炉的恒温区等长,总热处理时间为60min。五个空气热稳定化炉的总牵伸为6%。然后将得到的纤维再氮气稳定化炉进行热处理,温度为262℃,稳定化炉的时间为12min,牵伸为-2%。最后将得到的热稳定化纤维进行低温碳化和高温碳化处理。低温碳化温度为350~700℃,热处理时间为3min,牵伸为3%;高温碳化温度为1350℃,热处理时间为3min,牵伸为-3.5%。本实施例所得碳纤维力学性能结果为:拉伸强度5.23GPa,拉伸模本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,具体步骤包括:(1)将聚丙烯腈原丝在至少3个含氧气体气氛的常压热稳定化炉中190~270℃范围内进行热处理不低于40min,总牵伸为不高于6%;(2)将上述热处理后的纤维通过至少一个惰性气体气氛的常压热稳定化炉,在240~270℃条件下进行热稳定化处理不低于5min,牵伸为‑2~0%;(3)将上述经热稳定化处理后的纤维在惰性气体条件下,350~1400℃范围内进行碳化处理4~8min,总牵伸为‑2~2%,得到所述高性能碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,具体步骤包括:(1)将聚丙烯腈原丝在至少3个含氧气体气氛的常压热稳定化炉中190~270℃范围内进行热处理不低于40min,总牵伸为不高于6%;(2)将上述热处理后的纤维通过至少一个惰性气体气氛的常压热稳定化炉,在240~270℃条件下进行热稳定化处理不低于5min,牵伸为-2~0%;(3)将上述经热稳定化处理后的纤维在惰性气体条件下,350~1400℃范围内进行碳化处理4~8min,总牵伸为-2~2%,得到所述高性能碳纤维。2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,其特征在于所述步骤(1)中含氧气体气氛的常压热稳定化炉为至少5个。3.根据权利要求2所述的聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,其特征在于所述5个含氧气体气氛的常压热稳定化炉的温度范围依次分别为190~210℃,210~220℃,220~240℃,240~260℃,260~270℃。4.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法,其特征在于所述5个含氧气体气氛的常压热稳定化炉的温度范围依次分别为200~210℃,210~215℃,225~235℃,245~255℃,260~265℃。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员:肖士洁沈志刚李磊张静
申请(专利权)人:中国石油化工股份有限公司中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
类型:发明
国别省市:北京;11

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