制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及碳纖維技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 我們知道，聚丙烯腈基（PAN)碳纖維的制備過程主要包括原絲成形、預(yù)氧化、低溫 碳化和高溫碳化等階段。在低溫碳化過程中，纖維會(huì)釋放大量的廢氣（CO、C02、NH3、CH4、H2O 等)和焦油。焦油一旦沾污纖維，輕則變硬、發(fā)脆，重則斷絲。不讓廢氣在爐內(nèi)冷凝成焦油和 瞬時(shí)排出廢氣、焦油是穩(wěn)定質(zhì)量、穩(wěn)定生產(chǎn)的重要因素之一。目前，對(duì)于PAN預(yù)氧化纖維低 溫碳化的研宄，局限于如何使低溫碳化爐內(nèi)的熱解廢氣不冷凝為焦油和瞬時(shí)排出爐外。然 而，隨著CO、C02、NH3、CH4、H2O等氣體的釋放，纖維內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，由耐熱梯形結(jié)構(gòu) 向亂層石墨結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。據(jù)文獻(xiàn)介紹，該階段的熱化學(xué)變化主要受熱處理溫度、時(shí)間和張力 的影響。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方 法，通過合理控制低溫碳化階段的管道壓力，來制備結(jié)構(gòu)完善的預(yù)碳化纖維，從而制得高強(qiáng) 中模型碳纖維。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方 法，包括下列步驟： 將聚丙烯腈共聚纖維絲束在空氣氣氛下于180~280°C溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)氧化，采用6段梯 度升溫方式熱處理60~llOmin，制得密度為I. 34±0. 02g/cm3的預(yù)氧化纖維，再經(jīng)過常規(guī) 碳化條件：氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在〇~4%的牽伸比下，于300~900°C下低溫碳化3 ±I. 5min，將所 得纖維在1000~1800°C下高溫碳化3±1. 5min，牽伸比為-4~0% ;其中，在低溫碳化過程 中，需要控制低溫爐管道壓力在-5~_15Pa之間。
[0008] 上述的聚丙烯腈共聚纖維絲束可采用濕法或干濕法紡制的纖維。聚丙烯腈共聚纖 維絲束為1~48K。上述的聚丙烯腈共聚纖維絲為除含丙烯腈單體外，還包括一種或多種以 下單體的共聚物：衣康酸、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、丙烯酰胺、甲叉丁二酸、甲基丙烯酰胺、丙烯醛、甲基丙烯醛、烯 丙基氯、a-氯丙烯、二丙酮丙烯酰胺、甲基丙烯基丙酮、乙烯基吡咯烷酮。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是，在低溫碳化階段控制管道壓力的大小，將會(huì)影響預(yù)碳化纖 維以及碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能，可以通過控制低溫碳化階段管道的壓力來完善碳纖維的結(jié)構(gòu) 和提尚其力學(xué)性能，從而制備尚強(qiáng)中t旲型碳纖維。
[0010]
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述： 實(shí)施例1 : 選濕法紡制的威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的，含90%以上丙烯腈單體組分的PAN共聚 纖維(其絲束為12K，共聚物組成（wt%)為：丙烯腈（AN):丙烯酸甲酯（MA):衣康酸（IA)= 96:2. 0:2. 0)，于空氣介質(zhì)中，采用 190 °C、210°C、220°C、230°C、240 °C、260°C六段預(yù)氧化爐 處理，停留時(shí)間為90min，牽伸比為1%，得到密度為I. 34g/cm3的預(yù)氧化纖維，將預(yù)氧化纖維 在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，300~900°C溫度下進(jìn)行低溫碳化，停留時(shí)間均為3min，施加+3%牽伸比； 1000~1800°C溫度下施加-3%的牽伸比，高溫碳化3min。其中，在低溫碳化過程中，控制低 溫爐管道壓力為_6Pa，獲得碳纖維。將制備的碳纖維用環(huán)氧樹脂E44/丙酮/三乙烯四胺 (10:15:1)液體上膠固化為條狀，再根據(jù)國標(biāo)GB/T3362-2005對(duì)相應(yīng)的碳纖維樣品進(jìn)行力 學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見表1。
[0012] 實(shí)施例2: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_9Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0013] 實(shí)施例3: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_12Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0014] 實(shí)施例4: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_15Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0015] 對(duì)比例1 : 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為-IPa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0016] 對(duì)比例2: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_3Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0017] 對(duì)比例3: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_20Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0018] 對(duì)比例4: 采用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的12KPAN共聚纖維，在低溫碳化過程中，控制低溫爐 管道壓力為_25Pa，其它工藝參數(shù)及操作同實(shí)施例1，獲得碳纖維，結(jié)果見表1。
[0019] 表1.碳纖維的力學(xué)性能數(shù)據(jù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法，其特征在于，包括下列步驟：將聚丙烯腈共聚 纖維絲束在空氣氣氛下于180~280°C溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)氧化，采用6段梯度升溫方式熱處理 60~llOmin，制得密度為I. 34±0. 02g/cm3的預(yù)氧化纖維，再經(jīng)過常規(guī)碳化條件：氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，在0~4%的牽伸比下，于300~900°C下低溫碳化3±1. 5min，將所得纖維在1000~ 1800°C下高溫碳化3±1. 5min，牽伸比為-4~0% ;其中，在低溫碳化過程中，需要控制低溫 爐管道壓力在-5~-15Pa之間。
2. 根據(jù)權(quán)要求1所述制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法，其特征在于所述的聚丙烯腈共聚 纖維絲束可采用濕法或干濕法紡制的纖維。
3. 根據(jù)權(quán)要求1所述制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法，其特征在于所述的聚丙烯腈共聚 纖維絲束為1~48K。
4. 根據(jù)權(quán)要求1所述制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法，其特征在于所述的聚丙烯腈共聚 纖維絲為除含丙烯腈單體外，還包括一種或多種以下單體的共聚物：衣康酸、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、丙烯酰胺、 甲叉丁二酸、甲基丙烯酰胺、丙烯醛、甲基丙烯醛、烯丙基氯、α -氯丙烯、二丙酮丙烯酰胺、 甲基丙烯基丙酮、乙烯基吡咯烷酮。
【專利摘要】本發(fā)明涉及有機(jī)高分子領(lǐng)域，具體地說是一種制備高強(qiáng)中模型碳纖維的方法，包括下列步驟：將聚丙烯腈共聚纖維絲束在空氣氣氛下于180～280℃溫度區(qū)間內(nèi)預(yù)氧化，采用6段梯度升溫方式熱處理60～110min，制得密度為1.34±0.02g/cm3的預(yù)氧化纖維，再經(jīng)過常規(guī)碳化條件：氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在0～4%的牽伸比下，于300～900℃下低溫碳化3±1.5min，將所得纖維在1000～1800℃下高溫碳化3±1.5min，牽伸比為-4～0%；其中，在低溫碳化過程中，需要控制低溫爐管道壓力在-5～-15Pa之間。本發(fā)明在低溫碳化階段控制管道壓力的大小，將會(huì)影響預(yù)碳化纖維以及碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能，可以通過控制低溫碳化階段管道的壓力來完善碳纖維的結(jié)構(gòu)和提高其力學(xué)性能，從而制備高強(qiáng)中模型碳纖維。
【IPC分類】D01F9-22
【公開號(hào)】CN104651979
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510117206
【發(fā)明人】叢宗杰, 張?jiān)铝x, 李松峰, 曹明海, 王文義, 王寶銘
【申請(qǐng)人】威海拓展纖維有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日