一种聚丙烯腈基碳纤维及其稳定化方法技术

本发明专利技术提供一种聚丙烯腈基碳纤维及其稳定化方法，所述稳定化方法包括：将聚丙烯腈基纤维前驱体依次通过低温、中温、高温和超高温进行稳定化处理，得到聚丙烯腈基稳定化纤维；所述低温下的氧气浓度≤所述中温下的氧气浓度＜所述高温下的氧气浓度≤所述超高温下的氧气浓度；所述稳定化方法有效降低了聚丙烯腈基纤维前驱体在稳定化过程中的热降解，提高了纤维内部石墨带的大小和完善度，降低了皮芯效应，为制备高性能碳纤维奠定了基础。所述稳定化方法处理后的聚丙烯腈基碳纤维具有较高的热稳定性和拉伸强度，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种聚丙烯腈基碳纤维及其稳定化方法


[0001]本专利技术属于纤维制备
，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维及其稳定化方法。

技术介绍

[0002]碳纤维作为高性能纤维的一种，具有低密度、高拉伸强度、高拉伸模量和化学耐受性好等优点，已经被广泛应用于运动、医疗、航天、汽车等领域。其中，以聚丙烯腈为前驱体的碳纤维技术最成功，各方面性能最好，逐渐成为碳纤维的主流。聚丙烯腈的均聚物或共聚物是制造高性能碳纤维最重要的前驱体，占全球碳纤维产量的近90％。但是，目前商业碳纤维的强度远没有达到理论值，前驱体在制备过程很容易发生降解，使得其石墨化结构较小且不完善，导致最终碳纤维强度较低。
[0003]聚丙烯腈基碳纤维的制备主要包括稳定化、炭化和石墨化三个主要过程，其中，稳定化过程被认为是其中决定性的一步，不仅因为稳定化过程的成本占总成本的48％，更是因为其很大程度上决定了纤维的最终结构，从而决定了纤维的最终力学性能，因此减少稳定化过程热降解和提高稳定化程度是是获得高拉伸强度碳纤维的基础。
[0004]CN111088557A公开了聚丙烯腈基热稳定化纤维的制备方法，该方法在稳定化过程中采用梯度升温环化的方法，同时以丙烯腈纤维的环化指数和氧化指数作为纤维热稳定化程度及质量控制的指标；得到的高性能碳纤维，具有拉伸强度和拉伸模量高的优点，取得了较好的技术效果。虽然这种方法有利于制备高性能的碳纤维，但是这种方法稳定性较差，是因为并没有从根本上解决在热稳定化过程中容易产生热降解这个问题。
[0005]CN108823683A公开了一种制备聚丙烯腈碳纤维的方法，该方法采用聚丙烯腈为第一单体，丙烯酸甲酯等物质为第二单体，衣康酸等作为第三单体，加入引发剂、甲醇、分子量调节剂、酸化水溶剂等，通过对原料组成的优化，提高了聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化过程中纤维径向的结构均匀性，避免了预氧化过程中产生皮芯结构，从根本上提升了聚丙烯腈基碳纤维的力学性能。CN104047073B公开了一种聚丙烯腈预氧化处理装置及方法，利用微波加热的原理使氧化剂溶液中的氧分子能随着极化运动被带入到聚丙烯腈纤维原丝内部，在内部参与预氧化反应，尽量使预氧化程度达到表里一致，达到降低皮芯效应的目的；同时，移动的加热炉能和移动的聚丙烯腈纤维形成空气对流，能更好地带走副反应的反应热，提高聚丙烯腈纤维经预氧化处理后得到的预氧丝的质量。虽然这两种方法都对稳定化过程的热降解有或多或少的缓和作用，但是上述两种方法的稳定化过程仍然在在空气气氛中进行，而空气中过量的氧气可能会引发链降解行为，影响最终碳纤维产品的性能。
[0006]因此，开发一种能够避免稳定化过程中发生热降解、提高纤维内部石墨带的大小和完善度、降低皮芯效应的稳定化方法，用于聚丙烯腈基碳纤维的制备，是本领域的研究重点。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种聚丙烯腈基碳纤维及其稳定化方法，所述稳定化方法将聚丙烯腈基纤维前驱体依次通过低温、中温、高温和超高温进行稳定化处理，并通过调整所述低温、中温、高温和超高温下的氧气浓度，减少了聚丙烯腈基碳纤维的热降解程度，使得最终制备的碳纤维具有优异的拉伸性能。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种聚丙烯腈基碳纤维的稳定化方法，所述稳定化方法包括：将聚丙烯腈基纤维前驱体依次通过低温、中温、高温和超高温进行稳定化处理，得到聚丙烯腈基稳定化纤维；所述低温、中温、高温、超高温的温度依次升高。
[0010]所述低温的温度为150～220℃，例如155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃或215℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0011]所述中温的温度为220～250℃，例如222℃、224℃、226℃、228℃、230℃、232℃、234℃、236℃、238℃、240℃、242℃、244℃、246℃或248℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0012]所述高温的温度为250～280℃，例如252℃、254℃、256℃、258℃、260℃、262℃、264℃、266℃、268℃、270℃、272℃、274℃、276℃或278℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0013]所述超高温的温度＞280℃，例如285℃、290℃、295℃、300℃、305℃、310℃、315℃、320℃、325℃、330℃、335℃、340℃或345℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0014]所述稳定化处理的氧气浓度为：所述低温下的氧气浓度≤所述中温下的氧气浓度＜所述高温下的氧气浓度≤所述超高温下的氧气浓度。
[0015]本专利技术所述氧气浓度指的是氧气在气氛中的体积百分含量；下文涉及到相同描述，均具有相同的含义。
[0016]本专利技术中提供的稳定化方法，不仅将聚丙烯腈基纤维前驱体依次通过低温、中温、高温和超高温四个温度区间进行稳定化处理，而且对每个温度区间下的氧气浓度进行了特定的梯度化控制，避免了空气中过量的氧气引发链降解的行为，进而提高了最终得到的碳纤维的性能。
[0017]本专利技术中，所述低温下的氧气浓度为0～10％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％或9.5％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0018]优选地，所述低温下的氧气浓度为0，所述低温下的稳定化处理在保护气氛或者在真空中进行。
[0019]优选地，所述保护气氛包括氮气或氦气。
[0020]优选地，所述中温下的氧气浓度为0～25％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％或24％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举
所述范围包括的具体点值。
[0021]优选地，所述中温下的氧气浓度为0，所述中温下的稳定化处理在保护气氛或真空中进行。
[0022]优选地，所述保护气氛包括氮气或氦气。
[0023]优选地，所述高温下的氧气浓度大于0且小于等于30％，例如0.1％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％或29％，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈基碳纤维的稳定化方法，其特征在于，所述稳定化方法包括：将聚丙烯腈基纤维前驱体依次通过低温、中温、高温和超高温进行稳定化处理，得到聚丙烯腈基稳定化纤维；所述低温的温度为150～220℃，所述中温的温度为220～250℃，所述高温的温度为250～280℃，所述超高温的温度＞280℃；所述稳定化处理的氧气浓度为：所述低温下的氧气浓度≤所述中温下的氧气浓度＜所述高温下的氧气浓度≤所述超高温下的氧气浓度。2.根据权利要求1所述的稳定化方法，其特征在于，所述低温下的氧气浓度为0～10％；优选地，所述低温下的氧气浓度为0，所述低温下的稳定化处理在保护气氛或真空中进行。3.根据权利要求1或2所述的稳定化方法，其特征在于，所述中温下的氧气浓度为0～25％；优选地，所述中温下的氧气浓度为0，所述中温下的稳定化处理在保护气氛或真空中进行。4.根据权利要求1～3任一项所述的稳定化方法，其特征在于，所述高温下的氧气浓度大于0且小于等于30％。5.根据权利要求1～4任一项所述的稳定化方法，其特征在于，所述超高温下的氧气浓度大于0且小于等于35％；优选地，所述超高温的温度为280～350℃且不包括280℃。6.根据权利要求1～5任一项所述的稳定化方法，其特征在于，所述低温的处理时间为30～90min；优选地，所述中温的处理时间为60～140min；优选地，所述高温的处理时间为60～140min；优选地，所述超高温的处理时间为30～70min。7.根据权利要求1～6任一项所述的稳定化方法，其特征在于，所述低温、中温、高温、超高温的升温速率各自独立地为0.1～10℃/min。8.根据权利要求1～7任一项所述的稳定化方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鸿康，王欣，王湘麟，刘玉锇，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：