[发明专利]控制聚丙烯腈热稳定化纤维结构制备高性能碳纤维的方法

说明书

本发明涉及一种控制聚丙烯腈热稳定化纤维结构制备高性能碳纤维的方法，主要解决现有技术中存在的聚丙烯腈热稳定化纤维结构控制及影响碳纤维性能的问题。本发明通过采用一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法，包括将聚丙烯腈共聚前驱体在180～280℃范围内进行热稳定化处理30～60min，总牵伸为0～6％，得到热稳定化纤维；以及将所述热稳定化纤维碳化处理，得到所述高性能碳纤维的步骤；其中，所述的热稳定化纤维在热稳定化处理中以环化指数CI和氧化指数OI作为质量控制指标，所述CI值为50～70％，所述OI值为6～20％的技术方案，较好地解决了该问题，可用于制备高性能碳纤维的生产中。

技术领域

本发明涉及一种控制聚丙烯腈热稳定化纤维结构制备高性能碳纤维的方法，属于聚丙烯腈碳纤维制备技术领域。

背景技术

聚丙烯腈的热稳定化是将聚丙烯腈前驱体的线性大分子链转化为耐热的梯型聚合物结构，使其在后续的碳化过程中不熔不燃，保持热力学稳定状态，是制备高性能碳纤维的关键步骤。

聚丙烯腈前驱体在热稳定化过程中主要发生环化反应和氧化反应，其环化程度和氧化程度对最终碳纤维的性能具有显著影响。如果热稳定化温度太低或时间太短，聚丙烯腈纤维中不能形成足够的耐热结构，会造成后续高温处理中过量分子链的断裂，从而产生缺陷影响最终碳纤维的性能；如果热稳定化温度太高或时间太长，纤维内可能形成过多的含氧结构，在后续的高温热处理中以CO或CO₂的形式逸出，带走骨架中的碳，并留下许多孔洞，同样会造成纤维内部的结构缺陷，使最终碳纤维的碳化收率和力学性能严重下降。因此，对于不同结构和性能的原丝，例如不同共聚组成、不同纺丝方法制备的原丝，如何采取合理的热稳定化工艺是制备高性能碳纤维的关键环节。目前，在碳纤维生产过程中，通常利用热稳定化纤维的体密度来控制热稳定化程度，此种方法比较经验化，只能作为初步的判断；而通过元素分析方法来表征热稳定化纤维的氧含量时，会将原丝内已存在的氧元素计算在内，无法测量出反应生成的含氧结构的含量。

本发明同时将聚丙烯腈纤维的环化指数和氧化指数作为纤维质量的控制标准，对制备高性能碳纤维具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的是现有技术中存在的聚丙烯腈热稳定化纤维结构控制及影响碳纤维性能的问题，提供了一种新的控制聚丙烯腈碳化学结构制备高性能碳纤维的方法，通过控制热稳定化过程中热稳定化纤维的环化指数(CI)和氧化指数(OI)，得到高性能的碳纤维，有效提高了碳纤维的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯腈基高性能碳纤维的制备方法，包括将聚丙烯腈共聚前驱体在180～280℃范围内进行热稳定化处理30～60min，总牵伸为0～6％，得到热稳定化纤维；以及将所述热稳定化纤维碳化处理，得到所述高性能碳纤维的步骤；其中，所述的热稳定化纤维在热稳定化处理中以环化指数CI和氧化指数OI作为质量控制指标，所述CI值为50～70％，所述OI值为6～20％。

上述技术方案中，所述CI＝A_C＝N/(A_C＝N+A_AG)，OI＝A_C＝O/(A_C＝O+A_AG)，其中A_C＝N、A_C＝O和A_AG分别为热稳定化纤维中C＝N、C＝O及烷基碳三种碳化学结构在固体¹³C核磁共振谱图中的共振峰强度，对应的化学位移分别为155±3ppm、175±3ppm和30±3ppm。

上述技术方案中，所述聚丙烯腈共聚前驱体优选为二元或三元共聚，其中丙烯基单体结构单元的质量分数优选不低于92％，共聚单体结构单元优选包括酸类、酯类和酰胺类等单体。

上述技术方案中，所述聚丙烯腈共聚前驱体优选为3～48K。

上述技术方案中，所述聚丙烯腈共聚前驱体优选由湿法或干喷湿纺制备。