一種凝固浴復(fù)合氨化改善pan基碳纖維表面形態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種凝固浴復(fù)合氨化改善PAN基碳纖維表面形態(tài)的方法；PAN原液從噴絲頭噴出，經(jīng)過凝固浴凝固成型，通過不斷向凝固浴中加入氨水和甲胺的混合溶液，對凝固浴進行氨化；用pH值測定儀在線檢測凝固浴的pH值，pH值控制在7.5～11.0之間；凝固浴質(zhì)量濃度控制在40～80%，凝固浴溫度控制在15～80℃；氨水和甲胺的體積比為1～3：1，通過閥門控制進入凝固浴中混合溶液的量；本方法制得的碳纖維表面溝槽加深并且規(guī)整，使得碳纖維與基體的界面結(jié)合力增強，從而有效地傳遞載荷，使復(fù)合材料的層間剪切強度增大，并且溝槽的加深對碳纖維本身的力學性能影響不大。
【專利說明】一種凝固浴復(fù)合氨化改善PAN基碳纖維表面形態(tài)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維制造技術(shù)，涉及一種改善PAN基碳纖維表面形態(tài)的凝固浴復(fù)合 氨化法。

【背景技術(shù)】：
[0002] 碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐化學腐蝕、耐疲勞、耐熱沖擊、抗輻射、 導(dǎo)電、傳熱和比重小等一系列優(yōu)異性能，屬于典型的高性能纖維。因而碳纖維在航空航天、 交通運輸、土木建筑、體育用品等領(lǐng)域都得已廣泛的應(yīng)用。
[0003] 碳纖維作為增強材料被廣泛的用于制作樹脂基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、金屬基 復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等。復(fù)合材料的性能不僅取決于材料的組成，而且取決于組 成材料之間的界面粘結(jié)狀態(tài)、碳纖維的表面性能以及碳纖維與基體之間界面應(yīng)力的傳遞方 式。良好的界面結(jié)合能有效地傳遞載荷，并且充分發(fā)揮碳纖維高強度、高模量的特性，提高 復(fù)合材料的機械性能。
[0004] 碳纖維復(fù)合材料對于碳纖維的要求已經(jīng)不僅僅局限于機械性能，碳纖維的表面形 態(tài)也成了評判碳纖維質(zhì)量的重要指標。如果碳纖維表面光滑并呈化學惰性，將導(dǎo)致碳纖維 與基體之間粘結(jié)性較弱，復(fù)合材料的性能下降，因此，碳纖維表面處理也成為生產(chǎn)高品質(zhì)碳 纖維的一個重要過程。目前碳纖維表面處理技術(shù)主要是在碳化之后用陽極電解氧化法等 化學方法進行處理，通過刻蝕增大碳纖維的比表面積或在表面引入活性官能團，進而提高 碳纖維復(fù)合材料的力學性能，但是對于原絲制備階段復(fù)合氨化表面處理技術(shù)尚沒有相關(guān)報 道。


【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種凝固浴復(fù)合氨化改善PAN基碳纖維表面形態(tài)的方法。利 用改善碳纖維表面形態(tài)的原絲制備工藝，增加碳纖維表面溝槽，提高碳纖維的表面積，使得 碳纖維與基體的結(jié)合力增強，復(fù)合材料的層間剪切強度增大。
[0006] 本發(fā)明所述的一種凝固浴復(fù)合氨化改善PAN基碳纖維的表面形態(tài)的方法。PAN原 液從噴絲頭噴出，經(jīng)過凝固浴凝固成型，同時不斷向凝固浴中加入氨水和甲胺的混合溶液， 對凝固浴進行氨化。用pH值測定儀在線檢測凝固浴的pH值，一般pH值控制在7. 5?11. 0 之間。凝固浴濃度控制在40?80%，凝固浴溫度控制在15°C?80°C，將氨水和甲胺的混合 溶液加入凝固浴循環(huán)系統(tǒng)中，氨水和甲胺的體積比為1?3 :1，并通過閥門控制進入凝固浴 中混合溶液的量，由于凝固浴循環(huán)量一定，絲條運行速度也比較平穩(wěn)，所以相同時間內(nèi)絲條 運動帶走的凝固浴的體積也一定，因而不斷向凝固浴中加入一定量氨水和甲胺的混合溶液 可以達到使凝固浴中pH值穩(wěn)定的效果。通過閥門控制進入凝固浴中混合溶液的量，在線檢 測，凝固浴pH值優(yōu)選控制在9. 1-9.9之間。通過氨化改變初生纖維表面的親水性來影響其 雙擴散進而達到改變纖維表面形態(tài)的目的，再通過后面的一系列工序遺傳給碳纖維。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點在于從初生纖維入手來改變纖維表面形態(tài)，彌補了單純依靠后期表 面處理方面的不足，從根本上提高了碳纖維的比表面積，并且不影響碳纖維的力學性能，同 時采用氨水和甲胺的混合溶液對凝固浴進行氨化處理，由于甲胺較氨水更易發(fā)生氨化反 應(yīng)，所以可以提高氨化效率，氨化效果更明顯。但由于甲胺毒性較氨水大，故選用氨水和甲 胺復(fù)合氨化的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為未進行凝固浴氨化制得的碳纖維的表面電鏡照片，
[0009] 圖2為在凝固浴中加氨水制得的碳纖維的表面電鏡照片，
[0010] 圖3為向凝固浴中加入氨水和甲胺的混合溶液制得的碳纖維的表面電鏡照片.

【具體實施方式】：
[0011] 實施例1
[0012] 聚合液的凝固過程：PAN原液從噴絲頭噴出，經(jīng)過凝固浴凝固成型，凝固浴濃度為 55%，凝固浴溫度為65°C。同時不斷向凝固浴中加入氨水和甲胺的混合溶液，氨水和甲胺體 積比為2 :1，混合溶液從儲槽中進入凝固浴循環(huán)系統(tǒng)中，通過閥門控制進入凝固浴中混合 溶液的量。用pH值測定儀隨時監(jiān)測凝固浴的pH值，一般pH值控制在9. 1-9. 9。
[0013] PAN基碳纖維的制備過程：經(jīng)過三個二甲基亞砜/水體系的牽伸槽，凝固并適當施 以牽伸張力使絲條進一步凝固成型；后將凝固絲條進行水洗；后進行補充水洗，并施以一 定的牽伸；水洗絲經(jīng)過上油；進行干燥致密化；之后通過蒸汽牽伸和蒸汽定性，最后絡(luò)筒收 取PAN原絲。原絲在預(yù)氧化后，經(jīng)過碳化，表面處理和上漿制得PAN基碳纖維。
[0014] 碳纖維的表征：對凝固浴中加入氨水和甲胺的混合溶液工藝條件下制得的碳纖維 進行掃描電鏡測試，觀察表面溝槽，進行層間剪切強度的測試，和碳纖維力學性能的測試。 并與沒有在凝固浴中加氨和在凝固浴中加入等量的氨水，其他工藝相同的碳纖維進行比 較。
[0015] 掃描電鏡照片如附圖所示，圖1為未進行凝固浴氨化制得的碳纖維的表面電鏡照 片，圖2為在凝固浴中加氨水制得的碳纖維的表面電鏡照片，圖3為向凝固浴中加入氨水和 甲胺的混合溶液制得的碳纖維的表面電鏡照片。圖中可以明顯看出，加氨水制得的碳纖維 表面溝槽加深，加入氨水和甲胺的混合溶液制得的碳纖維表面溝槽明顯加深。
[0016] 碳纖維力學性能的測試和層間剪切強度的測試，加混合氨液、加氨水與未加氨的 進行比較如下，如表1所示：
[0017] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種凝固浴復(fù)合氨化改善PAN基碳纖維表面形態(tài)的方法，其特征在于： PAN原液從噴絲頭噴出，經(jīng)過凝固浴凝固成型，通過不斷向凝固浴中加入氨水和甲胺的 混合溶液，對凝固浴進行氨化；用pH值測定儀在線檢測凝固浴的pH值，pH值控制在7. 5? 11. 0之間；凝固浴質(zhì)量濃度控制在40?80%，凝固浴溫度控制在15?80°C;氨水和甲胺的 體積比為1?3 :1，通過閥門控制進入凝固浴中混合溶液的量。
【文檔編號】D01F9/22GK104420008SQ201310388442
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】肖建文, 廉信淑, 劉長清, 吳明金, 關(guān)炳山, 劉暉, 吳永祥, 陳萬友 申請人:中國石油天然氣股份有限公司