一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法.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CN108754673A(43)申请公布日2018.11.06(21)申请号201810431101.2(22)申请日2018.05.08(71)申请人中国科学院宁波材料技术与工程研究所地址315201浙江省宁波市镇海区庄市大道519号(72)发明人王雪飞钱鑫张永刚宋书林李德宏(74)专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司33224代理人刘诚午(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法，包括如下步骤：对先驱体纤维进行热处理，得到热交联纤维，以环化程度作为热交联纤维的结构控制指标，选择环化程度在55～100％范围的热交联纤维，将选择得到的纤维连续依次通过七温区低温碳化炉、三温区高温碳化炉和单温区石墨化炉，制备得到所述的高拉伸模量石墨纤维。在纤维连续制备过程中，通过对原料纤维环化程度的控制，合理设计低温碳化、高温碳化以及石墨化的处理工艺，实现碳纤维的高模量性能，通过本发明方法制备获得的碳纤维拉伸模量高于500GPa。CN108754673ACN108754673A权利要求书1/1页1.一种高拉伸模量石墨纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)对聚丙烯腈纤维进行热处理，得到热交联纤维；(2)以环化程度作为热交联纤维的结构控制指标，选择环化程度CI值在55～100％范围内的热交联纤维；(3)将步骤(2)选择得到的热交联纤维依次连续通过七温区低温碳化炉、三温区高温碳化炉和单温区石墨化炉，制备得到高拉伸模量石墨纤维。2.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维是采用湿纺、干纺或干喷湿纺制备得到。3.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将聚丙烯腈纤维在空气中或/和氮气中热处理得到热交联纤维；空气中热处理温度为150～290℃，氮气中热处理温度为180～320℃，牵伸倍率为2～10％，纤维停留时间为30～120min。4.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中选择环化程度CI值在75～100％范围内的热交联纤维。5.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，七温区低温碳化炉的温度分别为300～450℃、400～550℃、500～650℃、600～750℃、700～800℃、750～900℃、900～1100℃，牵伸倍率为3～10％，纤维停留时间为1～10min。6.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，三温区高温碳化炉的温度分别为1000～1300℃、1200～1500℃、1300～1800℃，牵伸倍率为-6～-3％，纤维停留时间为0.5～5min。7.根据权利要求1所述的高拉伸模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，单温区石墨化炉的温度为2000～2800℃，牵伸倍率为2～5％，纤维停留时间为0.5～6min。8.一种高拉伸模量石墨纤维，其特征在于，由权利要求1～7任一项权利要求所述方法制备得到。9.根据权利要求8所述的高拉伸模量石墨纤维，其特征在于，所述高拉伸模量石墨纤维的拉伸模量高于500GPa。2CN108754673A说明书1/4页一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法。背景技术[0002]石墨纤维是一种高模量碳纤维，其热膨胀系数小、导热性好，主要应用于对刚度要求高、热变形小的制件中，如制作太阳翼、天线、空间光学遥感器结构等。相比于中等模量或通用碳纤维，石墨纤维在化学组成上具有更高的含碳量，在微观结构上表现为石墨微晶尺寸增加。[0003]石墨微晶结构是碳纤维实现高模量的结构基础，从纤维结构演变的角度看，热交联纤维中已经具备类似石墨结构的环状结构，该结构经过进一步高温处理，缩聚、融合为石墨微晶结构，同时，热交联纤维中的非环状结构在高温处理中被热裂解，生成小分子气体或焦油等。因此，热交联纤维中的环化程度可以成为构建高模量碳纤维的评价指标，环状结构越多，环化程度越高，碳纤维的模量与环化程度成非线性正比关系。[0004]申请号为201110330682.9的中国发明专利公开了一种高强度高模量碳纤维的制备方法，通过将聚丙烯腈共聚纤维在热处理炉中进行预处理，选择无定形区分子链的取向度fa值在35～45％范围内的纤维进行热氧化稳定化、低温碳化和高温碳化处理制得碳纤维。尽管结构取向也是影响纤维力学的主要因素之一，但是无定形区分子