一种由聚丙烯腈原丝碳化制备碳纤维的方法技术

本发明专利技术提供一种由聚丙烯腈原丝碳化制备碳纤维的方法，包括以下步骤：1、采用多温区预氧化，温度范围160‑310℃，牵伸率0.5‑10％，时间60‑120min；2、采用多温区低温碳化，温度为400‑1000℃，时间为60s‑120s，总牵伸率为1％‑8％；3、采用多温区高温碳化，温度为800‑1600℃，时间为60s‑120s，牵伸率为‑8％‑‑1％。通过合理设计碳化过程各阶段温度梯度，温度范围，牵伸倍率及走丝速度等参数，使预氧化及碳化过程平稳进行，预氧丝耐热性能好，分子取向度高，分子排布更加致密化，碳纤维结构均匀，断丝及并丝少，抗拉强度达到5000MPA以上，达到提高碳纤维产品质量的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种由聚丙烯腈原丝碳化制备碳纤维的方法
本专利技术属于碳纤维材料制造
，具体涉及一种碳纤维原丝的碳化方法。
技术介绍
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是一种以PAN原丝为前驱体，经过1500℃以上高温处理制得的碳含量在95％以上的具有乱层石墨结构的无机纤维材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能。由PAN原丝高温碳化制备碳纤维需要经历3个阶段，预氧化阶段、低温碳化阶段和高温碳化阶段。在预氧化阶段，PAN原丝在氧气存在下经历环化、环氧化、氧化等反应形成耐热性更高、取向性良好、含氧及芳杂环结构的梯形分子。良好质量的预氧丝是高质量碳纤维生产的关键基础。目前，工业上预氧化过程的温度范围为180-350℃，预氧化炉内温区间的温差一般在15℃以上。较大的温差导致环化反应受到较大的温度冲击，使成环速度、氧化速度、氧气渗入速度及PAN原丝的结构变化速度不匹配，造成较多的结构缺陷的氧化缺陷，严重时形成断丝和并丝交联现象，严重影响最终碳纤维的质量。除此之外，低温碳化阶段和高温碳化阶段温度梯度过大也对碳纤维质量有较大影响，主要原因是温度梯度大导致分解速度加快，分解产生的小分子气体急速溢出导致碳纤维结构缺陷增加，降低其拉伸强度。本专利技术的技术原理就是尽量减小碳化过程各阶段的温度梯度，使预氧化及碳化过程尽可能平稳进行，达到提高碳纤维产品质量的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供该种高品质的碳纤维原丝及碳化方法。本专利技术的技术原理就是尽量减小碳化过程各阶段的温度梯度，使预氧化及碳化过程尽可能平稳进行，纤维取向度提高，分子排布更加致密化，达到提高碳纤维产品质量的目的。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是:包括以下步骤:步骤一、采用多温区预氧化炉对碳纤维原丝进行预氧化处理，预氧化温度范围160-310℃，预氧化过程总牵伸率0.5-10％，预氧化时间60-120min；步骤二、采用多温区低温碳化炉对步骤一中预氧化处理后的碳纤维原丝进行低温碳化处理，低温碳化处理温度为400-1000℃，时间为60s-120s，总牵伸率为1％-8％；步骤三、采用多温区高温碳化炉对步骤二中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，高温碳化处理温度为800-1600℃，高温碳化处理的时间为60s-120s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-8％--1％。采用优化工艺制得的碳纤维抗拉强度最高可达6.8GPa，弹性模量可达345GPa。本专利技术涉及的低温碳化和高温碳化中的温度梯度均为等温度梯度即温度梯度根据初始温度、终止温度、温区均匀分布(包括实施例)。优选的，所述的多温区预氧化炉设十二个温区，其中前六个温区温差为2-5℃，后六个温区温差为10-15℃。预氧化初始温度为160-210℃，最好为180-190℃，终止温度为240-310℃，最好为270-290℃。优选的，预氧化处理过程中总牵伸率为0.5-10％，最好为4-8％，牵伸主要在前6个温区中进行。优选的，预氧化过程中走丝速度为0.5-2m/min，最好为0.8-1.2m/min。优选的，所述的低温碳化炉设6个温区，温区间温差为40-60℃。低温碳化初始温度为300-600℃，最好为350-450℃，终止温度为600-1000℃，最好为650-750℃。优选的，低温碳化过程总牵伸率为1-8％，最好为3-5％。优选的，所述的多温区高温碳化炉设7个温区，温区间温差为30-50℃。高温碳化初始温度为700-1100℃，最好为950-1050℃，终止温度为1000-1600℃，最好为1150-1300℃。优选的，高温碳化过程总牵伸率-8--1％。本专利技术与现有技术相比具有以下优点:本专利技术通过合理设计碳化过程各阶段的温度梯度，温度范围，牵伸倍率及走丝速度的技术参数，使预氧化及碳化过程平稳进行，预氧丝耐热性能好，分子取向度高，分子排布更加致密化，碳纤维结构均匀，断丝及并丝少，抗拉强度达到5000MPA以上，达到提高碳纤维产品质量的目的。具体实施方式按照实施例中表格中的条件制备碳纤维，并对碳纤维的性能进行表征。实施例1预氧化表1，预氧化初始温度对碳纤维质量的影响**碳化条件：预氧化终止温度280℃，低温碳化初始温度450℃，终止温度700℃，高温碳化初始温度800℃，终止温度1350℃，走丝速度0.8m/min。**表中为预氧化结束的预氧化丝的元素分析数据。表2，预氧化终止温度对碳纤维质量的影响**碳化条件：预氧化初始温度180℃，低温碳化初始温度450℃，终止温度700℃，高温碳化初始温度800℃，终止温度1350℃，走丝速度0.8m/min。**表中为预氧化结束的预氧化丝的元素分析数据。表3，预氧化温度梯度对碳纤维质量的影响**碳化条件：预氧化厨师温度180℃,终止温度280℃，低温碳化初始温度450℃，终止温度700℃，高温碳化初始温度800℃，终止温度1350℃，走丝速度0.8m/min。**前一个数据为前六个温区温差，后面为后六个温区温差。本专利技术通过精细化的控制和一系列的碳化工艺调整，我们得出了一个新的认识，在碳纤维工艺生产中，原丝质量的好坏决定了碳纤维的质量。过高的预氧化初始温度对预氧化反应是不利的。预氧化温度达到185℃时，碳纤维的抗拉强度已经开始下降，而到190℃时，下降幅度已达近14％。其原因可能是初始温度提高导致预氧化区域的温度梯度较小(预氧化终止温度是固定的)，达到环化温度的时间较短，这样原丝的分子结构调整的时间缩短，原丝芯部与皮层的温度梯度较大，致使原丝径向预氧化程度不同，导致预氧化丝质量下降。元素分析数据表明，预氧化初始温度与预氧化丝的氧含量呈正相关，初始温度越高，氧含量越高。氧含量为10％左右时碳纤维抗拉强度最高，过低或者过高的氧含量都对碳纤维的抗拉强度有不利影响。与预氧化初始温度相似，预氧化终止温度对碳纤维的抗拉强度也有较大的影响。根据DSC数据可知，PAN原丝的环化反应终止温度在280-290℃之间，实验结果证实了DSC数据。预氧化终止温度低于280℃时，终止温度升高有利于环化反应，碳纤维抗拉强度升高；终止温度高于290℃时，由于过分氧化的原因导致碳纤维抗拉强度迅速下降。预氧化终止温度与预氧化丝的氧含量也呈正相关，预氧化温度越高，预氧化丝的氧含量亦越高。实施例2低温碳化表4，低温碳化初始温度对碳纤维质量的影响*碳化条件：预氧化初始温度180℃，终止温度280℃，低温碳化终止温度700℃，高温碳化初始温度800℃，终止温度1350℃，走丝速度0.8m/min。表5，低温碳化终止温度对碳纤维质量的影响*碳化条件：预氧化初始温度180℃，终止温度280℃，低温碳化初始温度450℃，高温碳化初始温度800℃，终止温度1350℃，走丝速度0.8m/min；低温碳化、高温碳化温度梯度均匀分布。为考察低温碳化过程中的初始温度和终止温度对碳纤维性能的影响，以6kT700原丝为实验对象，选用不同的初始温度和终止温度，观察不同温度组合的低温碳化条件对碳纤维性能的影响。低温碳化初始温度设4个温度，分别为400,450,500,550℃。终止温度也设4个温度，分别为650,700,750本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由聚丙烯腈原丝碳化制备碳纤维的方法，包括以下步骤：步骤一、采用多温区预氧化炉对碳纤维原丝进行预氧化处理，预氧化温度范围160‑310℃，预氧化过程总牵伸率0.5‑10％，预氧化时间60‑120min；步骤二、采用多温区低温碳化炉对步骤一中预氧化处理后的碳纤维原丝进行低温碳化处理，低温碳化处理温度为400‑1000℃，时间为60s‑120s，总牵伸率为1％‑8％；步骤三、采用多温区高温碳化炉对步骤二中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，高温碳化处理温度为800‑1600℃，高温碳化处理的时间为60s‑120s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为‑8％‑‑1％。

【技术特征摘要】
1.一种由聚丙烯腈原丝碳化制备碳纤维的方法，包括以下步骤：步骤一、采用多温区预氧化炉对碳纤维原丝进行预氧化处理，预氧化温度范围160-310℃，预氧化过程总牵伸率0.5-10％，预氧化时间60-120min；步骤二、采用多温区低温碳化炉对步骤一中预氧化处理后的碳纤维原丝进行低温碳化处理，低温碳化处理温度为400-1000℃，时间为60s-120s，总牵伸率为1％-8％；步骤三、采用多温区高温碳化炉对步骤二中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，高温碳化处理温度为800-1600℃，高温碳化处理的时间为60s-120s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-8％--1％。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的多温区预氧化炉设十二个温区，其中前六个温区温差为2-5℃，后六个温区温差为10-15℃；预氧化初始温度为160-210℃，终止温度为240-310℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的多温区预氧化炉设十二个温区，其中前六个温区温差为2-5℃，后六个温区温差为10-15℃；预氧化初始温度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡钧，孟子顺，张会，
申请(专利权)人：哈尔滨天顺化工科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23