高强度高模量碳纤维的制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102505189A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102505189A(43)申请公布日2012.06.20(21)申请号201110330682.9(22)申请日2011.10.27(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(72)发明人刘杰连峰马兆昆梁节英(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人刘萍(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)D01F9/21(2006.01)权利要求书权利要求书11页页说明书说明书44页页(54)发明名称高强度高模量碳纤维的制备方法(57)摘要高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，将聚丙烯腈共聚纤维置于温度为160～180℃的热处理炉中，热处理时间为4～8分钟，并施以2～12％的牵伸比，以聚丙烯腈共聚纤维中无定形区分子链的取向度fa值作为结构控制指标。选择fa值在35～45％范围的纤维进行热氧稳定化、低温碳化和高温碳化处理制得碳纤维。本发明制得的碳纤维的拉伸强度高于3.6GPa、拉伸模量高于240GPa。CN102589ACN102505189A权利要求书1/1页1.高强度高模量碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在热氧稳定化之前，将共聚物中丙烯腈单体的质量含量不低于90％的聚丙烯腈共聚纤维置于温度为160～180℃的热处理炉中，热处理时间为4～8分钟，并施以2～12％的牵伸比进行低温同步改性处理；以聚丙烯腈共聚纤维中无定形区分子链的取向度fa值作为上述处理纤维的结构控制指标，选择无定形区中聚丙烯腈分子链的取向度fa值在35～45％范围的低温同步改性后的聚丙烯腈共聚纤维；其中，fa＝(fchain-β·fc)/(1-β)，式中：fchain为聚丙烯腈分子链沿纤维轴向的平均取向度，通过偏振光红外扫描分析获得；fc为聚丙烯腈晶体沿纤维轴向的取向度，β为聚丙烯腈共聚纤维的结晶度，通过广角X射线衍射分析获得；将选择的低温同步改性处理后的聚丙烯腈共聚纤维进行热氧稳定化和碳化处理制得碳纤维。2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，低温同步改性后的聚丙烯腈共聚纤维fa值的范围为38～45％。3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，聚丙烯腈共聚纤维采用湿法、干法或干湿法纺制的纤维，纤维丝束为1～48K。2CN102505189A说明书1/4页高强度高模量碳纤维的制备方法技术领域：[0001]本发明涉及一种制备高性能碳纤维的方法。具体采用低温同步改性后纤维中的无定形区聚丙烯腈分子链的取向度(fa)来鉴别聚丙烯腈共聚纤维取向程度的优劣，以fa值为标准调控低温同步改性工艺参数，从而制得拉伸强度高于3.6GPa、拉伸模量高于240GPa的高性能碳纤维。背景技术：[0002]碳纤维兼具高强、高模、轻质、热膨胀系数小、耐烧蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电等优点，被广泛用于航天、军工和民用等各领域。聚丙烯腈共聚纤维是制备碳纤维的理想前躯体，主要经过热氧稳定化、低温碳化和高温碳化等阶段。在该过程中，牵伸是必不可少的工序，它可以使聚丙烯腈分子链保持一定的取向，避免分子链因受热又恢复到纺丝前的无序状态。由于聚丙烯腈共聚纤维内同时存在晶区和无定形区，并且通过研究发现，无定形区内分子链的取向程度对碳纤维的力学性能具有更显著地关联性。当对纤维进行牵伸时，特别是在热氧稳定化前期，晶区和无定形区发生取向的顺序和程度是不同的。通常是晶区先进行快速取向并达到取向平衡，随后是无定形区发生取向。过小的牵伸不会促使无定形区内的分子链充分取向，而过大的牵伸又会使已经取向完全的晶区发生滑移甚至断裂，在纤维内形成缺陷，严重降低最终碳纤维的力学性能。因而，确定无定形区聚丙烯腈分子链的合适的取向程度是制备高性能碳纤维的关键因素。目前通常使用X射线衍射来表征聚丙烯腈晶区的取向程度，或采用声速模量法测量纤维整体的取向程度来衡量聚丙烯腈分子链取向的好坏，但这些方法均忽略了对无定形区分子链取向程度的表征。本发明在热氧稳定化之前的低温同步改性阶段，以无定形区分子链的取向程度来衡量聚丙烯腈共聚纤维取向的好坏，为评价聚丙烯腈共聚纤维是否满足制备高强碳纤维的要求提供了有效的评价方法。发明内容：[0003]本发明的旨在提供提供一种可以提高碳纤维的抗张强度，扩大其应用领域的高强碳纤维的制备方法。在热氧稳定化之前对聚丙烯腈基纤维进行低温同步改性处理，温度为160～180℃，时间为4～8分钟，牵伸比为2～12％，以低温同步改性处理后的聚丙烯腈共聚纤维中无定形区分子链的取向度fa值，作为上述处理纤维的结构控制指标，为评价聚丙烯腈共聚纤维是否满足制备高强碳纤维的要求提供了有效的评价方法。[0004]本发明提供一种制备高性能碳纤维的方法，以聚丙烯腈共聚纤