專利名稱：一種通過(guò)控制張力制備高性能碳纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備高性能碳纖維的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維兼具高強(qiáng)、高模、輕質(zhì)、熱膨脹系數(shù)小、耐燒蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航天、軍工和民用等各領(lǐng)域。聚丙烯腈共聚纖維是制備碳纖維的理想前軀體，主要經(jīng)過(guò)熱氧穩(wěn)定化、低溫碳化和高溫碳化等階段。在該過(guò)程中，牽伸是必不可少的工序，它可以使聚丙烯腈分子鏈保持一定的取向，避免分子鏈因受熱又恢復(fù)到紡絲前的無(wú)序狀態(tài)。目前主要采用牽伸比作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，但這種方法忽視了纖維束中單根纖維的差異性， 使得一些單根纖維被迫拉伸到設(shè)定的牽伸比而發(fā)生斷裂，從而加重了所的碳纖維的毛絲。 本發(fā)明采用張力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聚丙烯腈基纖維進(jìn)行低溫同步改性處理，與常規(guī)的以牽伸比作為標(biāo)準(zhǔn)的方式相比，本方法明顯降低了碳纖維的毛絲程度，有效改善了碳纖維的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的旨在提供提供一種可以提高碳纖維的抗張強(qiáng)度，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的高強(qiáng)碳纖維的制備方法。在熱氧穩(wěn)定化之前，在空氣介質(zhì)下120 200°C、5 30MPa的張力，進(jìn)行2 10分鐘的低溫同步改性處理。本發(fā)明提供一種制備高性能碳纖維的方法，以聚丙烯腈共聚纖維為原絲，按照以下步驟進(jìn)行制備高性能碳纖維低溫同步改性在熱氧穩(wěn)定化之前引入低溫同步改性處理，將共聚物中丙烯腈單體的質(zhì)量含量不低于90%的聚丙烯腈共聚纖維置于溫度為120 200°C的熱處理爐中，施以5 30MPa的張力，在空氣介質(zhì)下進(jìn)行2 10分鐘的低溫同步改性處理；將上述低溫同步改性獲得纖維進(jìn)行熱氧穩(wěn)定化和碳化處理制得碳纖維。低溫同步改性步驟中張力的最佳范圍是11 30MPa。所述的聚丙烯腈共聚纖維可以為采用濕法、干法或干濕法紡制的纖維，纖維絲束可為1 48K。上述聚丙烯腈共聚纖維含有10%質(zhì)量含量以下的一種或多種共聚物丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸及其酯類。這是由于制備原絲的方法不同造成的，只要原絲中丙烯腈單體的質(zhì)量含量不低于90%的上述共聚物，本發(fā)明即可適用。本發(fā)明的效果采用張力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聚丙烯腈基纖維進(jìn)行低溫同步改性處理，與常規(guī)的以牽伸比作為標(biāo)準(zhǔn)的方式相比，本方法明顯降低了碳纖維的毛絲程度，大大改善了碳纖維的力學(xué)性能，當(dāng)?shù)蜏赝礁男噪A段的張力為5 30MPa時(shí)，所得碳纖維的抗張強(qiáng)度均在3. 5GPa以上。本發(fā)明對(duì)制備高性能碳纖維具有指導(dǎo)意義。


圖1低溫同步改性裝置示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1采用日本旭化成公司生產(chǎn)的48K聚丙烯腈共聚纖維，纖維所用的聚合單體及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丙烯腈92%，烯丙基氯7%，α-氯丙烯1%。在低溫同步改性階段(如圖1所示的裝置)，通過(guò)前后兩組驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維施加5MPa的張力，在空氣介質(zhì)中， 爐內(nèi)溫度為120°C，纖維在該爐內(nèi)的停留時(shí)間為％iin，得到低溫同步改性纖維；對(duì)低溫同步改性后的纖維在空氣介質(zhì)中進(jìn)行200 0C、230 0C、255 °C和280 °C熱氧穩(wěn)定化處理，在每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間均為15min，共計(jì)60min，牽伸比為9%，得到熱氧穩(wěn)定化纖維；在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，對(duì)熱氧穩(wěn)定化纖維進(jìn)行320°C、450°C、58(rC和680°C低溫碳化，停留時(shí)間均為0. 5min, 共計(jì)2min，施加6%牽伸比，在1300°C進(jìn)行高溫碳化，停留時(shí)間為Imin，施加-1 %牽伸比，制得碳纖維。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB-T3362-2005對(duì)碳纖維進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。實(shí)施例2采用日本旭化成公司生產(chǎn)的48K聚丙烯腈共聚纖維，在低溫同步改性對(duì)纖維施加 IlMPa的張力，在空氣介質(zhì)中，爐內(nèi)溫度為140°C，纖維在該爐內(nèi)的停留時(shí)間為％iin，得到低溫同步改性纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例3采用日本旭化成公司生產(chǎn)的48K聚丙烯腈共聚纖維，在低溫同步改性對(duì)纖維施加 17MPa的張力，在空氣介質(zhì)中，爐內(nèi)溫度為150°C，纖維在該爐內(nèi)的停留時(shí)間為6min，得到低溫同步改性纖維；其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例4采用日本旭化成公司生產(chǎn)的48K聚丙烯腈共聚纖維，在低溫同步改性對(duì)纖維施加 23MPa的張力，在空氣介質(zhì)中，爐內(nèi)溫度為170°C，纖維在該爐內(nèi)的停留時(shí)間為8min，得到低溫同步改性纖維；其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例5采用日本旭化成公司生產(chǎn)的48K聚丙烯腈共聚纖維，在低溫同步改性對(duì)纖維施加 30MPa的張力，在空氣介質(zhì)中，爐內(nèi)溫度為190°C，纖維在該爐內(nèi)的停留時(shí)間為lOmin，得到低溫同步改性纖維；其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例6采用美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的24K聚丙烯腈共聚纖維，纖維所用的聚合單體及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丙烯腈92%，丙烯酰胺6%，甲基丙烯基丙酮2%。其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例 1。實(shí)施例7采用美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的24K聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例2。實(shí)施例8采用美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的24K聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例3。
實(shí)施例9采用美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的24K聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例4。實(shí)施例10采用美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的24K聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例5。實(shí)施例11采用上海石化公司干法紡制的1 聚丙烯腈共聚纖維，纖維所用的聚合單體及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丙烯腈93 %，羥烷基丙烯腈6 %，甲基丙烯基丙酮1 %。其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例12采用上海石化公司干法紡制的1 聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例2。實(shí)施例13采用上海石化公司干法紡制的1 聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例3。實(shí)施例14采用上海石化公司干法紡制的1 聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例4。實(shí)施例15采用上海石化公司干法紡制的1 聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例5。實(shí)施例16采用濕法紡制的市售英國(guó)courtaulds公司生產(chǎn)的I聚丙烯腈共聚纖維，纖維所用的聚合單體及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丙烯腈96 %、甲叉丁二酸1 %、丙烯酸甲酯3 %。其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例17采用濕法紡制的市售英國(guó)courtaulds公司生產(chǎn)的I聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例2。實(shí)施例18采用濕法紡制的市售英國(guó)courtaulds公司生產(chǎn)的I聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例3。實(shí)施例19采用濕法紡制的市售英國(guó)courtaulds公司生產(chǎn)的I聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例4。實(shí)施例20采用濕法紡制的市售英國(guó)courtaulds公司生產(chǎn)的I聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例5。實(shí)施例21
采用威海光威公司生產(chǎn)的IK聚丙烯腈共聚纖維，纖維所用的聚合單體及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丙烯腈93%、二丙酮丙烯酰胺6 %、α-氯丙烯1%。其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1。實(shí)施例22采用威海光威公司生產(chǎn)的m聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例2。實(shí)施例23采用威海光威公司生產(chǎn)的m聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例3。實(shí)施例24采用威海光威公司生產(chǎn)的m聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例4。實(shí)施例25采用威海光威公司生產(chǎn)的m聚丙烯腈共聚纖維，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例5。將上述實(shí)施例中聚丙烯腈基纖維的K數(shù)、低溫同步改性階段的張力以及所得到的碳纖維的抗張強(qiáng)度列于表1。表 權(quán)利要求
1.一種通過(guò)控制張力制備高性能碳纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟 低溫同步改性在熱氧穩(wěn)定化之前引入低溫同步改性處理，將共聚物中丙烯腈單體的質(zhì)量含量不低于90%的聚丙烯腈共聚纖維置于溫度為120 200°C的熱處理爐中，施以 5 30MPa的張力，在空氣介質(zhì)下進(jìn)行2 10分鐘的低溫同步改性處理； 將上述低溫同步改性獲得纖維進(jìn)行熱氧穩(wěn)定化和碳化處理制得碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，在低溫同步改性階段所施加的張力范圍是 11 30MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，聚丙烯腈共聚纖維采用濕法、干法或干濕法紡制的纖維，纖維絲束為1 48K。
全文摘要
一種通過(guò)控制張力制備高性能碳纖維的方法，其特征在于，將聚丙烯腈共聚纖維置于溫度為120～200℃的熱處理爐中，施以5～30MPa的張力，在空氣介質(zhì)下進(jìn)行2～10分鐘的低溫同步改性處理。將處理后的纖維進(jìn)行熱氧穩(wěn)定化和碳化處理制得碳纖維。本發(fā)明制得的碳纖維的抗張強(qiáng)度均高于3.5GPa。
文檔編號(hào)D01F9/22GK102505190SQ201110331570
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者劉杰, 梁節(jié)英, 連峰, 馬兆昆 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)