聚丙烯腈碳纤维及其制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108823683A(43)申请公布日2018.11.16(21)申请号201810739311.8C08F220/02(2006.01)(22)申请日2018.07.06C08F220/14(2006.01)C08F2/06(2006.01)(71)申请人北京化工大学地址100029北京市朝阳区北三环东路15号申请人威海拓展纤维有限公司(72)发明人李常清徐樑华黄大明李扬徐盼盼童元建曹维宇(74)专利代理机构北京力量专利代理事务所(特殊普通合伙)11504代理人宋林清(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)D01F6/38(2006.01)C08F220/44(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称聚丙烯腈碳纤维及其制备方法(57)摘要本发明公开了聚丙烯腈碳纤维及其制备方法，其中，所述方法包括：(1)以二甲基亚砜或二甲基甲酰胺为溶剂，将丙烯腈和衣康酸或丙烯腈与丙烯酸甲酯和衣康酸进行共聚合，以便得到聚合物纺丝溶液；(2)将聚合物纺丝溶液依次进行纺丝、牵伸、水洗、上油、干燥和热定型，以便得到聚丙烯腈原丝；(3)将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化和碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维，其中，所述预氧化过程包括低温预氧化和高温预氧化，所述低温预氧化在空气气氛中进行，所述高温预氧化在氮气气氛中进行。采用该方法制得的碳纤维拉伸强度高于4.9GPa，拉伸模量高于230MPa，并且与单纯在空气气氛预氧化处理得到的碳纤维相比，体密度增加1.6％，纤维收率增加5.6％。CN108823683ACN108823683A权利要求书1/1页1.一种制备聚丙烯腈碳纤维的方法，其特征在于，包括：(1)以二甲基亚砜或二甲基甲酰胺为溶剂，将丙烯腈和衣康酸或丙烯腈与丙烯酸甲酯和衣康酸进行共聚合，以便得到聚合物纺丝溶液；(2)将聚合物纺丝溶液依次进行纺丝、牵伸、水洗、上油、干燥和热定型，以便得到聚丙烯腈原丝；(3)将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化和碳化处理，得到聚丙烯腈碳纤维，其中，所述预氧化过程包括低温预氧化和高温预氧化，所述低温预氧化在空气气氛中进行，所述高温预氧化在氮气气氛中进行。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温预氧化的温度不高于265摄氏度。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低温预氧化的温度为200～265摄氏度。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温预氧化采用梯度升温进行。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温预氧化的时间为45～100分钟。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温预氧化的温度为265～315摄氏度。7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述高温预氧化的温度为280～300摄氏度。8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述高温预氧化的时间为5～20分钟。9.一种碳纤维，其特征在于，所述碳纤维是采用权利要求1-8中任一项所述方法制备得到的。2CN108823683A说明书1/5页聚丙烯腈碳纤维及其制备方法技术领域[0001]本发明属于碳材料技术领域，具体而言，本发明涉及聚丙烯腈碳纤维及其制备方法。背景技术[0002]碳纤维具有高比强度、高比模量特性，并且在惰性气氛下具有耐高温性能，使其广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、体育器材等领域。[0003]聚丙烯腈(PAN)碳纤维是实现工业化生产的一类重要碳纤维品种，制备工艺主要包括聚合、原丝纺丝、预氧化和碳化等过程。预氧化过程是承前启后的过程，在空气气氛和一定的张力作用下，PAN原丝经受200-300℃预氧化处理，发生环化、脱氢和氧化等一系列复杂反应，PAN的线型分子向耐热稳定的梯形结构转变，经过预氧化处理的纤维在后续高温碳化过程不融不熔，仍保持纤维形态。[0004]为了加快预氧化反应，形成更稳定的交联网络结构，聚丙烯腈纤维预氧化过程通常在含有氧气的空气中进行，并且升高预氧化温度能够提高预氧化反应速度。氧元素参与的预氧化反应，既形成环化结构、也形成含氧结构，但超过一定预氧化温度，虽然能提高预氧环化结构，但不可避免生成过多氧化结构，因为此时的氧化反应速度大于环化反应速度。[0005]制备PAN碳纤维的原料-丙烯腈，其含碳率为68％左右，但丙烯腈通过聚合、纺丝、预氧化和碳化，最后转变为碳纤维，除了非碳元素脱除，碳也会发生损失，现阶段纤维收率约为55％。碳纤维的最终结构被称为乱层石墨结构或类石墨结构，碳化过程中纤维中氧元素逸出带走碳原子，逸出形成空位缺陷，纤维基体存在不完整的六元环结构，这些空位缺陷使得纤维结构致密性降低，最终会影响碳纤维的性能及原料中碳元素的回收率。发明内容[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈