[发明专利]一种PAN基高强高模型碳纤维的制备方法

说明书

本发明涉及碳纤维制造技术领域，具体地说是一种PAN基高强高模型碳纤维的制备方法,采用湿法纺丝方式制备6K聚丙烯腈原丝，采用6段梯度升温方式制得密度为1.35±0.02g/cm³的预氧化纤维；在‑2~2%的牵伸比下，于300~900℃下低温碳化2±0.5min；在‑4~0%的牵伸比下，于1000~1800℃下，经6~8段梯度升温高温碳化处理3±0.5min；在5～10%的牵伸比下，于2500~2800℃下，经5~7段梯度升温高温石墨化2±0.5min，得石墨纤维；所得石墨纤维经阳极氧化法表面处理2±0.5min，得到改性石墨纤维，改性石墨纤维再经过水洗、上浆处理得到PAN基高强高模型碳纤维。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维生产技术领域，具体地说是一种PAN基高强高模型碳纤维的制备方法。

背景技术

众所周知，聚丙烯腈（PAN）碳纤维按照力学性能分类，一般分为高强标模型、高强中模型、高模型和高强高模型四大类。高强高模型碳纤维除具有轻质、高强、高模等特性外，还具有高导热、高导电、尺寸稳定性好、疲劳性能好、抗震性好等特性，耐环境交变能力突出，环境适应性强，以其作为增强体可以制备高刚度、高尺寸稳定性的各种结构型和功能型复合材料，广泛应用于航天领域。

日本东丽公司相继开发了M40J、M46J、M55J、M60J等高强高模型碳纤维，日本东邦公司也开发出UMS40、UMS45、UMS55等高强高模型碳纤维，很好的解决了国外航天领域的材料轻量化难题。近年来，国内高强高模型碳纤维的研制也取得了突破性进展，中科院宁波材料所、北京化工大学、威海拓展纤维有限公司相继开发出M55J级碳纤维。因为，M55J的拉伸模量高达540GPa，含碳量在99%以上，一般热处理温度在2500℃以上，石墨化程度高，表面化学惰性大，不利于与基体树脂的结合。国内学者对高强型及高模型碳纤维进行了大量深入的研究，而对于高强高模型碳纤维的表面处理的研究报道较少。

申请号为201810113188.9的中国专利提出了通过有效控制微晶取向，得到取向角不大于17.5°高温碳化纤维，然后在相对较低的高温石墨化温度下制备出拉伸强度3.8～5.0GPa、拉伸模量500～600GPa的高强高模型碳纤维，然而，未对其微晶参数、石墨化程度进行表征，也没有体现通过表面改性来提高其表面活性。

田艳红等2017年在复合材料学报杂志《国产聚丙烯腈基高强高模碳纤维电化学氧化表面处理工艺》一文中，提出研究了电化学氧化对高强高模碳纤维表面结构及化学组成的影响，并通过测试其与树脂结合后的层间剪切强度对碳纤维的力学性能进行了表征。尽管对电解液进行了筛选，并通过对电流密度进行研究，制备出一定O/C和N/C比的纤维，经与环氧树脂6101结合层间剪切强度达到60MPa左右。然而，未对电解液浓度和温度进行研究，以及未对表面自由能进行表征，且与基体树脂结合的层间剪切强度仅为60MPa左右，远低于本方法的75MPa以上。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有的技术不足，提供一种PAN基高强高模型碳纤维的制备方法, 通过对石墨化处理方法和表面改性方法进行了界定，对石墨纤维的微晶结构及表面化学结构进行了定量控制，制得一种高强高模型碳纤维。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种PAN基高强高模型碳纤维的制备方法, 其特征在于，包括以下步骤：采用湿法纺丝方式制备6K聚丙烯腈（PAN）原丝，采用6段梯度升温方式制得密度为1.35±0.02g/cm³的预氧化纤维；在-2 ~ 2%的牵伸比下，于300~ 900℃下低温碳化2±0.5min；在-4 ~ 0%的牵伸比下，于1000 ~ 1800℃下，经6~8段梯度升温高温碳化处理3±0.5min；在5～10%的牵伸比下，于2500 ~ 2800℃下，经5~7段梯度升温高温石墨化2±0.5min，得石墨纤维；所得石墨纤维经阳极氧化法表面处理2±0.5min，得到改性石墨纤维，改性石墨纤维再经过水洗、上浆处理得到PAN基高强高模型碳纤维。