[发明专利]一种聚丙烯腈基高强高模碳纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈基高强高模碳纤维制备方法。将聚丙烯腈(PAN)原丝经常规预氧化、低温碳化后，通过提高高温碳化温度并匹配一定的拉伸，或通过提升高温碳化拉伸倍率，可有效控制碳微晶取向,得到取向角不大于17.5°的高温碳化纤维，然后在相对较低的高温石墨化温度下进行高温石墨化热拉伸处理，制备得到了拉伸强度3.8～5.0GPa、拉伸模量500～600GPa的具有高强高模特征的碳纤维。本发明的制备方法降低了高温石墨化对设备的要求，有利于节能降耗和降低成本，并且操作简单易行。

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯腈基高强高模碳纤维制备方法

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维因其具有轻质、高强、高模、导电、导热、耐高温、耐腐蚀等一系列优异的性能，而被广泛应用于航天航空、国防军工、建筑补强、石油化工和休闲体育等领域。随着碳纤维复合材料应用技术的不断进步和发展，高强高模型碳纤维因其兼具高强度和高模量的特性，成为航空航天特殊领域不可或缺的关键材料。

高模量碳纤维通常是由高强型碳纤维进行高温石墨化处理而制得，聚丙烯腈(PAN)基碳纤维经过高于2000℃的高温处理，可以获得碳元素含量99％以上、纤维中碳微晶晶粒尺寸更大且排列更加规整有序的高模量碳纤维。有文献报道，随着高温石墨化处理温度的升高，碳纤维的拉伸模量逐渐升高，而拉伸强度却逐渐下降，单纯靠升高石墨化处理温度很难实现强度和模量的同时提升。

当前，在石墨化阶段提高碳纤维性能的工艺有：提高热处理温度、高温热牵伸、渗碳补强、催化石墨化等。科研工作者试图通过改变工艺路线的方法保持强度而提高模量，有一定的效果，但增加了工艺的复杂性。

日本东丽公司是全球最重要的聚丙烯腈基碳纤维研发和生产厂家，该公司高强高模(MJ)系列碳纤维包括M35J、M40J、M46J、M50J、M55J和M60J等品种，其强度为3.82～4.70GPa，模量为343～588GPa，牌号越高其模量越高，相应的强度越低。张洪波等，在2001年高科技纤维与应用杂志第三期《制备聚丙烯腈基高模量碳纤维的高温热处理技术》一文中报道，东丽公司采用高温热拉伸处理的方法制备高强高模型碳纤维，即在高温石墨化过程中对高温碳化纤维进行拉伸热处理。

高温热拉伸是制备高强高模碳纤维的有效方法之一。S.Ozbek的研究结果表明，聚丙烯腈基碳纤维在热处理温度为3000℃时进行热牵伸处理，可使其拉伸强度和拉伸模量分别从3.9GPa和180GPa提升至4.1GPa和690GPa，但此方法为升高石墨化温度，石墨化温度过高不仅耗能也不好控制。湖南大学徐仲榆教授团队，以国产碳纤维为原料采用高温热拉伸处理，分别在热处理温度为2500℃和2900℃制备出了拉伸强度分为2.60GPa和3.10GPa，拉伸模量分别为400GPa和480GPa的高强高模碳纤维，但其拉伸强度和拉伸模量均不突出。

热处理温度对高模量碳纤维制备尤为重要，处理温度越高，碳微晶尺寸越大，结构与理想石墨更相似，模量更高。在石墨化处理过程中，高温石墨炉是必备设备，高温石墨化炉的加热和保温材料通常是由耐热材料石墨制成，当石墨化处理温度在2000℃及以上时，石墨材料逐渐开始升华，温度越高升华越快，温度高的部分会因升华而被破坏。炉管长期在高温环境下工作，其使用寿命大打折扣，经常更换炉管影响碳纤维产量和质量稳定，经常更换昂贵的石墨化炉管也会增加产品的成本。石墨化炉因炉管材质所能达到极限温度有限，考虑设备的使用寿命，我们不能无限制地靠升高处理温度来解决碳纤维高模量的问题。