利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，属于高温抗氧化涂层制备领域。本发明专利技术的利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，包括以下步骤：1：对聚丙烯腈原丝进行除油、去污、干燥；2：以无水乙醇为溶剂，用硼酸和尿素配置硼酸尿素浸渍溶液；3：将步骤1得到的聚丙烯腈放入步骤2得到硼酸尿素浸渍溶液中浸渍，然后烘干；4：把步骤3得到的聚丙烯腈放入预氧化炉中进行预氧化；5：把步骤4得到的聚丙烯腈放入高温管式炉中，在保护气体氛围下升温，保温，降至室温后取出样品。本发明专利技术能解决其他的碳纤维表面氮化硼涂层制备方法温度高、过程复杂、成本高等问题，增加碳纤维的高温抗氧化性能，提高其使用温度。

【技术实现步骤摘要】
利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法
本专利技术涉及高温抗氧化涂层制备领域，特别是指一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法。
技术介绍
碳纤维是一种含碳量在92％以上的新型高性能纤维材料，具有重量轻、高强度、高模量、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能，因此，碳纤维成为国防民用工业不可替代的支柱性材料。目前，聚丙烯腈(聚丙烯腈)纤维经氧化、炭化成为研究和生产碳纤维的主流技术。但是碳纤维的高温抗氧化性能低，在氧化性气氛中温度高于400℃时就会开始氧化，温度更高时可能导致复合材料力学性能下降甚至失效。因此，有必要对碳纤维进行改性，使其在高温下仍能保持强度、模量等力学性能不降低。六方氮化硼具有低密度、高熔点、高电阻率、良好的热传导和极低的介电常数等优异性能，另外它还具有良好的抗蚀性和耐磨性能及类石墨的层状结构，所以氮化硼成为碳纤维表面理想的涂层材料。因此在碳纤维表面制备氮化硼涂层增加其抗氧化性，提高其使用温度的有效方法。与碳纤维表面氮化硼涂层相关的技术大部分以碳纤维为基体，通过涂层技术提高碳纤维的高温抗氧化性能，制备方法主要是先将碳纤维高温灼烧，经过硝酸活化，再经过溶液浸涂和热处理，最后在纤维表面制得氮化硼涂层。韦永山等人(碳纤维表面BN涂层的制备和表征[J].功能材料,2014(z1):76-78.)以硼酸为原料，采用溶液浸涂法，添加聚乙烯醇作为中间转换物，在碳纤维表面制备了氮化硼涂层，提高了碳纤维的抗氧化性能。中国专利文件CN103924443A公开了一种碳纤维表面抗氧化涂层的制备方法。用有机溶剂去除碳纤维表面胶层及附作物，以硅烷偶联剂作为前驱体配制涂层浆料，将得到的涂层浆料涂覆在碳纤维制品表面上并干燥，但是需要在99.999％高纯惰性气氛中、经800-1600℃高温处理才能得到碳纤维表面抗氧化涂层。中国专利文件CN105669253A公开了一种低温低压制备氮化硼涂层的方法，以三氯化硼(BCl3)和氨气(NH3)为主要原料，在低温条件下进行化学气相沉积，再将所得样品进行高温热处理可以制得氮化硼涂层。此方法最后还是需要高温热处理，且三氯化硼和氨气都是比较危险的气体。现有技术中在制备碳纤维表面氮化硼涂层时，大部分采用对碳纤维表面处理的方法，需要对碳纤维先进行预处理，并用硝酸活化，制备工艺复杂、成本高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低、高温抗氧化性能优异的利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法。这种方法能克服现有技术的不足，解决现有涂层工艺制备温度高、工艺复杂、成本高等问题，增加碳纤维的抗氧化性能，提高其使用温度。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，包括以下步骤：步骤1：对聚丙烯腈原丝进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，用硼酸和尿素配置硼酸浓度为0.6-0.8mol/L的硼酸尿素浸渍溶液；步骤3：将步骤1得到的聚丙烯腈放入步骤2得到硼酸尿素浸渍溶液中浸渍，然后烘干；步骤4：把步骤3得到的聚丙烯腈放入预氧化炉中进行预氧化；步骤5：把步骤4得到的聚丙烯腈放入高温管式炉中，在保护气体氛围下升温，保温，降至室温后取出样品。其中，所述步骤1中聚丙烯腈原丝K数为1K、3K、6K、10K中的任意一种。进一步的，所述步骤2中硼酸和尿素的摩尔比为2-5:1。为了得到更好的效果，所述步骤3中浸渍的时间为1-4h。其中，所述步骤4中的预氧化温度为260-280℃，预氧化的时间为2-3h。优选的，所述步骤5中的保护气体为氮气或氩气，升温和降温的速率为2-4℃/min，保温温度为800-1000℃，保温时间为4-6h。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，本专利技术能克服现有技术的不足，解决现有涂层工艺复杂、成本高等缺点，提高碳纤维的高温抗氧化性能，提高其使用温度。附图说明图1为本专利技术的利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法的未改性聚丙烯腈原丝预氧化后的断面形貌扫描电镜图片；图2为本专利技术的利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法的的改性后聚丙烯腈原丝预氧化后试样断面形貌扫描电镜图片。具体实施方式本专利技术提供了一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1步骤1：对聚丙烯腈表面进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，把硼酸和尿素按摩尔比2:1的比例溶于无水乙醇，配置硼酸浓度为0.6mol/L，在超声中将其搅拌分散至均匀的溶液，然后把聚丙烯腈放入溶液中浸渍2h；步骤3：把步骤2得到的改性聚丙烯腈原丝，放在烘箱中80℃烘干0.5h，然后把聚丙烯腈原丝放入预氧化炉中，加热到260℃，在空气中预氧化2h；步骤4：将步骤3得到改性聚丙烯腈预氧丝放入管式炉中，在氮气的氛围下以2℃/min的速度升温至800℃，然后保温4h，然后以2℃/min的速度降温至室温后取出样品。对样品进行俄歇电子能谱(AES)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析，测得纤维表面B含量为18.5％，N含量为17％，并且在1380-1400cm-1处有较强的B-N吸收峰强度。实施例2步骤1：对聚丙烯腈表面进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，把硼酸和尿素按摩尔比3:1的比例溶于无水乙醇，配置硼酸浓度为0.7mol/L，在超声中将其搅拌分散至均匀的溶液，然后把聚丙烯腈放入溶液中浸渍2h；步骤3：把步骤2得到的改性聚丙烯腈原丝，放在烘箱中80℃烘干0.5h，然后把聚丙烯腈原丝放入预氧化炉中，加热到260℃，在空气中预氧化2.5h；步骤4：将步骤3得到改性聚丙烯腈预氧丝放入管式炉中，在氮气的氛围下以2℃/min的速度升温至800℃，然后保温4h，然后以2℃/min的速度降温至室温后取出样品。对样品进行俄歇电子能谱(AES)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析，测得纤维表面B含量为18.9％，N含量为17.4％，并且在1380-1400cm-1处有较强的B-N吸收峰强度。实施例3步骤1：对聚丙烯腈表面进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，把硼酸和尿素按摩尔比3.5:1的比例溶于无水乙醇，配置硼酸浓度为0.6mol/L，在超声中将其搅拌分散至均匀的溶液，然后把聚丙烯腈放入溶液中浸渍2h；步骤3：把步骤2得到的改性聚丙烯腈原丝，放在烘箱中80℃烘干0.5h，然后把聚丙烯腈原丝放入预氧化炉中，加热到270℃，在空气中预氧化2.5h；步骤4：将步骤3得到改性聚丙烯腈预氧丝放入管式炉中，在氮气的氛围下以3℃/min的速度升温至900℃，然后保温5h，然后以3℃/min的速度降温至室温后取出样品。对样品进行俄歇电子能谱(AES)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析，测得纤维表面B含量为18.6％，N含量为17.2％，并且在1380-1400cm-1处有较强的B-N吸收峰强度。实施例4步骤1：对聚丙烯腈表面进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，把硼酸和尿素按摩尔比4:1的比例溶于无水乙醇，配置硼酸浓度为0.8mol/L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对聚丙烯腈原丝进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，用硼酸和尿素配置硼酸浓度为0.6‑0.8mol/L的硼酸尿素浸渍溶液；步骤3：将步骤1得到的聚丙烯腈放入步骤2得到硼酸尿素浸渍溶液中浸渍，然后烘干；步骤4：把步骤3得到的聚丙烯腈放入预氧化炉中进行预氧化；步骤5：把步骤4得到的聚丙烯腈放入高温管式炉中，在保护气体氛围下升温，保温，降至室温后取出样品。

【技术特征摘要】
1.一种利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对聚丙烯腈原丝进行除油、去污、干燥；步骤2：以无水乙醇为溶剂，用硼酸和尿素配置硼酸浓度为0.6-0.8mol/L的硼酸尿素浸渍溶液；步骤3：将步骤1得到的聚丙烯腈放入步骤2得到硼酸尿素浸渍溶液中浸渍，然后烘干；步骤4：把步骤3得到的聚丙烯腈放入预氧化炉中进行预氧化；步骤5：把步骤4得到的聚丙烯腈放入高温管式炉中，在保护气体氛围下升温，保温，降至室温后取出样品。2.根据权利要求1所述的利用聚丙烯腈制备表面有氮化硼涂层碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤1中聚丙烯腈原丝K数为1K、3K、6K、10K中的任意一种。3.根据权利要求1所述的利用聚丙烯腈制备表面有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延相，付善龙，刘群，马连茹，王瑶瑶，瞿策，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37