[发明专利]一种碳纤维及其制备方法和基于其的复合材料及应用

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维技术领域，特别涉及一种碳纤维及其制备方法和基于其的复合材料及应用。

背景技术

20世纪中后期，碳纤维以其作为纤维增强复合材料的优异性能，开始在宇航、体育用品等领域得到广泛应用。碳纤维制造过程包括预氧化、炭化、表面处理等步骤，每一步都对碳纤维的品质有着重要的影响。高性能、高品质的碳纤维，要求产品的性能保持很好的均一性和稳定性。对于生产高性能碳纤维来说，生产过程中原材料性能及其均一性、预氧化和炭化各步骤生产条件的稳定，都直接决定着碳纤维产品的最终性能高低。

专利CN101922065B公开了一种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝的预氧化方法，该方法根据DSC曲线确定第一、二、三预氧化温度点，将原丝在第一预氧化温度点前进行梯度升温预氧化，然后将预氧丝在第二预氧化温度点再次预氧化1～2min。

但是，PAN原丝本来就存在轻微皮芯结构，其原因是在凝固成纤的双扩散过程是由表及里所致；预氧化过程也是由表及里进行的，因此预氧化过程会使皮芯结构加剧。预氧丝的皮芯结构最终会导致碳纤维的力学性能也由表及里逐步下降，碳纤维的力学性能整体上较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种碳纤维的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的碳纤维。本发明制备方法预氧化碳纤维原丝所得的预氧丝氧化均匀，不存在皮芯结构，由此得到的碳纤维各项性能优异。

本发明再一目的在于提供一种基于上述碳纤维的碳纤维复合材料。

本发明再一目的在于提供上述碳纤维复合材料在制造工业中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种碳纤维的制备方法，包括预氧化阶段，所述预氧化阶段具体包括以下步骤：

(1)在预氧化过程中，将碳纤维原丝和至少一层预氧丝进行加湿；

(2)将加湿后的碳纤维原丝和预氧丝在预氧炉内进行预氧化。

步骤(1)中所述的加湿优选在碳纤维原丝和预氧丝进入预氧炉前进行。

步骤(1)中所述的加湿优选指使加湿后的碳纤维原丝和预氧丝的含湿量为0.5～10％。

步骤(1)中所述的加湿所使用的加湿液可为任意的水或水溶液均可，优选为纯水、自来水、聚醚改性硅油水溶液、过氧化氢水溶液、高锰酸钾水溶液和高氯酸钾水溶液中的至少一种。

上述所述的各种水溶液质量浓度均优选为2～15％。

步骤(1)中所述加湿的方法只要达到使碳纤维原丝和预氧丝的含湿量增加的效果即可，可为本领域任意加湿方法，如直接浸渍法或者超声波雾化加湿法。

所述的直接浸渍法是指将碳纤维原丝和预氧丝直接在加湿液中进行浸泡加湿或喷淋加湿。

所述的超声波雾化加湿法是指将加湿液超声振荡雾化为雾粒，通过雾粒对碳纤维原丝和预氧丝进行加湿。

步骤(2)中所述的预氧化至少分为四个温度段进行，每个温度段预氧炉内至少运行一层预氧丝；

所述预氧化的第一温度段优选在180～225℃条件下预氧化10～60min，所述预氧化的第二温度段优选在200～250℃条件下预氧化10～55min，所述预氧化的第三温度段优选在220～265℃条件下预氧化10～55min，所述预氧化的第四温度段优选在245～280℃条件下预氧化10～50min。

所述的预氧化还可以包括有第五温度段，优选在250～290℃条件下预氧化10～45min。

所述的预氧化还可以包括有第六温度段，优选在260～300℃条件下预氧化10～40min。

为了进一步更好地实现本发明，所述预氧化后还进一步包括有低温炭化阶段和高温炭化阶段，所述低温炭化阶段优选在300～900℃条件下炭化2～15min，所述高温炭化阶段优选在900～1800℃条件下炭化1～6min。

本发明中所述的碳纤维原丝可为聚丙烯腈基碳纤维原丝或沥青基碳纤维原丝。

一种由上述制备方法制备得到的碳纤维。

相较现有技术，本发明制备方法预氧化碳纤维原丝所得的预氧丝氧化均匀，基本不存在皮芯结构。将经上述预氧化处理后的预氧丝炭化制备得到的碳纤维，其拉伸强度和拉伸弹性模量高，不易断裂。经检测，本发明的碳纤维的强度在5.50GPa以上，其拉伸弹性模量在294GPa以上。

一种基于上述碳纤维的碳纤维复合材料，包含上述的碳纤维。其可广泛应用于制造工业中。