[发明专利]一种高强度碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维的制备技术领域，涉及一种制备高强度碳纤维的方法，尤其以热氧稳定化纤维的环化度（η）为82±5%且芳构化指数（AI）为65±5%为调控依据，控制热氧稳定化气氛的氧体积浓度为21.8±1%，获得优质的热氧稳定化纤维，从而制得3.75GPa以上的高强碳纤维。

背景技术

纤维内部径向结构的不均匀性是制约碳纤维拉伸强度的重要因素之一，体现在碳纤维的拉伸强度皮层高而芯部低。该种缺陷主要来源于两个阶段：一是纺丝阶段，由于纤维径向的凝固速率和溶剂扩散速率的不同而使原丝形成皮芯结构；二是热氧稳定化阶段，由于纤维径向的双扩散速率不同而导致PAN纤维皮层的氧化程度显著高于芯部。热氧稳定化过程中的双扩散，是指氧气从反应环境由外向纤维内部扩散和反应产生的挥发性小分子从纤维内部向外扩散。随着反应进行，热氧稳定化纤维皮部与氧的结合几率远高于芯部，导致纤维的表层形成致密的氧化层，反应气氛中的氧进入到纤维内部参与反应的几率大为降低，纤维径向PAN大分子链反应程度不同而进一步形成皮芯结构。皮芯结构会通过碳化过程传递到碳纤维中形成径向结构缺陷，从而降低碳纤维的力学性能。因此，减小热氧稳定化纤维的皮芯结构是提高碳纤维力学性能的有效途径。在热氧稳定化过程中，氧化反应在纤维径向的不均匀进行是导致纤维形成皮芯结构的最主要因素。因此控制热氧稳定化纤维的热氧稳定化程度至关重要，目前存在的判断热氧稳定化纤维程度的方法集中在热氧稳定化纤维的密度、氧含量、皮芯结构等的测定，或者采用环化度、芳构化指数来简单的衡量热氧稳定化程度，这些方法偏于单一，对于工艺指导的有效性值得商榷；考虑到热氧稳定化氧体积浓度对氧化反应影响重大，而采用目前的方法难以对单一氧体积浓度的调控难以掌控和实现。故本专利提出了一种新型的、有效的通过环化度（η）和芳构化指数（AI）共同调控热氧稳定化纤维热氧稳定化氧体积浓度的方法，更正了前人仅通过环化度或者芳构化指数的不足，弥补了通过环化度和芳构化指数调控热氧稳定化气氛的空白。通过环化反应程度数据η和氧化程度数据AI一起来有效的衡量PAN纤维在热氧稳定化中的热氧稳定化程度，并通过环化度（η）和芳构化指数（AI）双参数指导热氧稳定化工艺氧浓度及其他工艺参数，为获得优质的热氧稳定化纤维提供了新的判断依据和衡量标准。

发明内容

本发明的目的旨在通过热氧稳定化纤维的双反应程度（环化反应程度和氧化反应程度）综合调控热氧稳定化氧体积浓度，并指导热氧稳定化工艺，从而避免热氧稳定化纤维皮芯结构的形成，更正了前人仅通过环化度或者芳构化指数的不足，弥补了通过环化度和芳构化指数调控热氧稳定化气氛的空白，使得控制氧体积浓度通过一种有效的方法获得热氧稳定化纤维并制备高强碳纤维的要求。通过通过环化度（η）确定热氧稳定化氧体积浓度可见图1；通过芳构化指数（AI）确定热氧稳定化氧体积浓度见图2。

本发明提供一种高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，以热氧稳定化纤维的环化度（η）为82±5%和芳构化指数（AI）为65±5%为调控依据，控制热氧稳定化气氛的氧体积浓度为21.8±1%，将热氧稳定化过程氧气浓度的控制方法引入到碳纤维的制备过程中，制备高强度的碳纤维。

热氧稳定化纤维的η和AI数值分别采用红外光谱和X射线衍射分析测定，将热氧稳定化纤维绞碎为短纤，60℃烘干72h，进行红外光谱分析，获得红外特征峰数据；进行X射线衍射分析，获得特征衍射峰数据。计算公式为：η=0.29*I₁₆₃₀/（0.29*I₁₆₃₀+I₂₂₄₀），AI＝I_22.5/(I_22.5+I₁₇)。其中I₁₆₃₀为1630cm^-1处的-C＝N伸缩振动特征吸收峰强度，I₂₂₄₀为2240cm^-1处的-C≡N伸缩振动的特征吸收峰强度；I_22.5为2θ=17°处纤维（100）晶面衍射峰，是氰基官能团的特征衍射峰，I_22.5是2θ=22.5°处纤维中形成的梯形结构的特征衍射峰。

在180~300℃的热氧稳定化条件下对聚丙烯腈共聚纤维进行热氧稳定化及后续300~1600℃常规碳化处理，获得拉伸强度高于3.75GPa的碳纤维，在所述的热氧稳定化条件下某一温度点或某一温度范围内控制氧气体积浓度为21.8±1%。