一种制备高性能碳纤维的方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号(10)授权公告号CNCN103074705103074705B(45)授权公告日2015.02.18(21)申请号201310021822.3US4917836A,1990.04.17,摘要.(22)申请日2013.01.21审查员宣建(73)专利权人北京化工大学地址100029北京市朝阳区北三环东路15号(72)发明人刘杰薛岩梁节英(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人张慧(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)(56)对比文件CN102704043A,2012.10.03,说明书实施例7.CN102051711A,2011.05.11,说明书全文.CN102154740A,2011.08.17,说明书全文.权利要求书1页权利要求书1页说明书5页说明书5页(54)发明名称一种制备高性能碳纤维的方法(57)摘要一种制备高强度高模量碳纤维的方法，属于碳纤维技术领域。将聚丙烯腈共聚纤维置于热处理炉内进行热氧稳定化，温度设定为180~280℃，总牵伸率设定为5~12%，并在265~280℃的温区内控制纤维停留时间为17~22分钟，得到氧化纤维，进行低温和高温碳化处理，制备出碳纤维，以氧化纤维中的氧化反应指数IO作为化学结构的控制指标，选择IO值在33~50%范围内的纤维进行低温碳化和高温碳化处理，制备出碳纤维。本发明制得的碳纤维的拉伸强度高于3.5GPa，杨氏模量高于250GPa。CN103074705BCN103745BCN103074705B权利要求书1/1页1.一种高性能碳纤维的制备方法，其特征在于，以聚丙烯腈共聚纤维为前躯体，包括以下步骤：(1)将含有丙烯腈质量分数高于90％的聚丙烯腈共聚纤维置于热处理炉内进行热氧稳定化，牵伸率设定为5～12％，其中纤维在180～250℃的温区内停留时间为60分钟，在265～280℃的温区内对纤维进行气固相化学改性处理，控制纤维停留时间为17～22分钟，制取氧化纤维，在180～250℃的温区内指的是在180～250℃温度范围内分出多个温区，初始温度180℃，最终温度为250℃；(2)气固相化学改性处理后的氧化纤维进行350～680℃和1300℃的低温和高温碳化处理，制备出碳纤维；步骤(1)中以氧化纤维的氧化反应指数IO作为上述经过气固相化学改性处理的纤维的化学结构控制指标，选择IO值在33～50％范围内的氧化纤维；IO＝AC＝O/(AC＝O+AC＝C+ACH2)，其中AC＝O、AC＝C和ACH2分别为氧化纤维中C＝O、C＝C和CH2三种官能团的红外吸光度，通过傅里叶变换红外光谱分析获得，C＝O、C＝C分别为氧化反应和脱氢反应的生成物官能团，CH2为发生氧化反应的反应物官能团和脱氢反应的反应物官能团的总和。2.按照权利要求1的方法，其特征在于，聚丙烯腈共聚纤维为湿纺法或干喷湿纺法纺制，纤维丝束为1～320K。3.按照权利要求1的方法，其特征在于，聚丙烯腈共聚纤维中质量分数在10％以下的一种或多种共聚物单体为：衣康酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸、烯丙基氯、α-氯丙烯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、羟烷基丙烯腈、羟烷基丙烯酸及其酯类、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯基丙酮。2CN103074705B说明书1/5页一种制备高性能碳纤维的方法技术领域[0001]本发明涉及一种制备高性能碳纤维的方法，具体以气固相化学改性后，氧化聚丙烯腈纤维中的氧化反应指数（IO）来鉴别纤维化学结构的优劣，以IO值为标准调控气固相化学改性工艺参数，进而制得拉伸强度高于3.5GPa、杨氏模量高于250GPa的高性能碳纤维，属于碳纤维技术领域。背景技术[0002]聚丙烯腈纤维在热氧稳定化阶段的氧化反应程度与最终碳纤维的力学性能有着显著的相关性，这是因为纤维内所发生的气固相化学反应主要包括氧化、脱氢和环化等反应，经过这些化学反应后，聚丙烯腈大分子链上会形成稳定的耐热梯形结构，保证了后续碳化反应的顺利进行。尤其是在热氧稳定化后期，氧化反应的进程将决定纤维大分子链上耐热结构的最终数量。当氧化反应程度过低时，纤维内生成的含氧官能团数量过少，不利于纤维耐热结构的形成，这样可能造成后续高温处理中过量分子链的断裂；而当氧化反应程度过高时，纤维内形成的过多含氧官能团会在后续的碳化反应中以CO或CO2的形式逸出，并留下许多孔洞，造成纤维内部的结构缺陷，使最终碳纤维的碳化收率和力学性能严重下降。因此，对于不同共聚组分、以及由不同纺丝方法导致的聚集态结构存在差异的聚丙烯腈原丝，如何优化调整其热处理工艺，以控制纤维具有较为合适的氧化反应程度，对制备高性能碳纤维的影响尤为关键。目前，通常使用密度法来估计聚丙烯腈纤维的稳定化程度，