[发明专利]高强度高模量石墨纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维技术领域，具体地说是一种高强度高模量石墨纤维的制备方法。

背景技术

我们知道，聚丙烯腈基（PAN）石墨纤维的制备过程主要包括原丝成形、预氧化、低温碳化、高温碳化和石墨化等阶段。石墨微晶的大小、分布、缺陷程度以及取向性等决定了其性能，而石墨纤维的结构取决于碳纤维的结构完善程度，因此，可以通过控制原丝和预氧化纤维的结构来制得结构完善的碳纤维，从而得到结构完善和性能优异的石墨纤维。

原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高性能碳纤维的主要技术途径之一，为了制备高强度细旦化原丝，需在一定张力下对PAN纤维丝束进行蒸汽牵伸，即在保证纤维强度的条件下，根据纤维细旦化的要求适当调整牵伸倍数，一般蒸汽牵伸倍数在2～3之间。牵伸倍数低于2，不能保证纤维的强度达到要求，高于3倍则容易产生牵伸过度的现象。蒸汽牵伸使纤维的形态结构发生了变化，在牵伸应力和热效应的作用下，大分子链段的活动能力增加，各种结构单元沿着纤维轴向聚集、重排，分子链取向程度变高，分子链得到伸展，使纤维中更多的分子链处于最佳应力状态。因此，随着牵伸倍数的增加，原丝取向程度升高，纤维的强度提高。

在预氧化过程中，控制预氧丝密度是常用的行之有效的方法。预氧丝中氧含量控制在8～10%，其密度应控制在1.32～1.36g/cm³之间。当预氧丝密度低于1.32g/cm³时，预氧化不充分，预氧化纤维在碳化阶段易发生熔并，在PAN大分子链内引入缺陷，导致碳纤维性能降低。当预氧丝密度高于1.36g/cm³时，预氧化过度，在PAN分子链上结合的氧元素过度，在碳化过程中氧以H₂O、CO、CO₂的小分子形式逸走，在PAN分子链上引入缺陷，导致碳纤维密度下降和性能降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度高模量石墨纤维的制备方法，控制纤维在蒸汽牵伸阶段的牵伸倍数，得到取向度较高的原丝，控制原丝在预氧化阶段的工艺参数，得到结构完善的预氧化纤维，控制高温碳化阶段的温度和张力，得到含碳量在96%以上的碳纤维，从而制得高强度高模量石墨纤维。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种高强度高模量石墨纤维的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：将聚丙烯腈共聚纤维在蒸汽牵伸阶段施加2～3倍的牵伸，得到取向度在91～93%的原丝。将得到的原丝在空气气氛下于180～280℃温度区间内预氧化，采用6段梯度升温方式热处理60～110min，制得密度为1.34±0.02g/cm³的预氧化纤维。将所得预氧化纤维在氮气保护下，在0～4%的牵伸比下，于300～900℃下低温碳化3±1.5min，将所得纤维在1000～1800℃下高温碳化3±1.5min，牵伸比为-4～0%，得到含碳量大于96%，直径为7μm的碳纤维。将所得碳纤维在惰性气体保护下，于2200～2500℃下石墨化2±1min，牵伸比为1～5%，得到石墨纤维。

上述的聚丙烯腈共聚纤维束可分为1～48K。上述的聚丙烯腈共聚纤维为除含丙烯腈单体外，还包括一种或多种以下单体的共聚物：衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、羟烷基丙烯腈、羟烷基丙烯酸及其酯类、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。

本发明的有益效果是，对所制备的石墨纤维丝束进行力学性能表征，结果表明：取向度为91～93%的原丝，经过预氧化制得密度为1.34±0.02g/cm³的预氧化纤维，再经过高温碳化制得含碳量大于96%，直径为7μm的碳纤维，在2200～2500℃下进行石墨化得到拉伸强度高于4.5GPa，拉伸模量高于390 GPa的石墨纤维。通过实例证明，原丝的取向度、预氧化纤维密度以及碳纤维含碳量的大小将会影响石墨纤维的结构和性能，可以通过控制原丝的取向度、预氧化纤维的密度以及碳纤维的含碳量来完善石墨纤维的结构和提高其力学性能，对制备高强度高模量石墨纤维有很好的指导意义。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1：