[发明专利]一种高强高模高延伸碳纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及碳纤维制备技术领域，公开一种高强高模高延伸碳纤维及其制备方法。包括步骤：步骤1，将丙烯腈和共聚单体溶液聚合得到纺丝原液；步骤2，采用湿法纺丝，将纺丝原液经凝固、水洗、热水牵伸、上油、干燥后，再经蒸汽牵伸和热定型得到沸水收缩率为5.0‑6.8％、断裂伸长率为9.5‑11.0％、拉伸强度为4.7‑5.9cN/dtex的前驱体纤维；步骤3，将前驱体纤维经预氧化、低温碳化、高温碳化和超高温石墨化制备得到拉伸强度≥5.00GPa、拉伸模量≥540GPa、断裂伸长率≥0.90％的碳纤维，综合性能非常优异。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高强高模高延伸碳纤维及其制备方法。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有拉伸强度高、拉伸模量高、热膨胀系数小、耐腐蚀、导电等系列优点，因此在航空航天、工程应用、民用休闲等领域获得广泛应用。按照纤维拉伸模量来划分，PAN基碳纤维可以分为通用级(如东丽T300模量230GPa)、高强中模级(如东丽T800模量294GPa)、高强高模级(如东丽M55J模量540GPa)。PAN基高强中模碳纤维通常加工流程包括PAN前驱体纤维(即：PAN原丝)制备、预氧化、低温碳化和高温碳化，而高强高模碳纤维是在高强中模碳纤维基础上进一步经过2000℃～3000℃超高温石墨化处理得到。

高强高模碳纤维制备极为苛刻，而且其制备过程中的高温热处理会造成一定的强度损失，因此高强高模碳纤维的拉伸强度普遍较低，如日本东丽M55J碳纤维虽然拉伸模量高达540GPa，但其拉伸强度仅为4.02GPa，导致其断裂伸长率仅为0.70％，从而呈现出低延伸的特点。由于高强高模碳纤维具有低延伸和高脆性的特点，因此在预浸料等后续产品的加工过程中极易形成断丝、毛丝等，从而影响最终产品质量。近几年来国内已经逐渐突破拉伸模量540GPa以上的高模碳纤维制备技术，但产品拉伸强度均不足5.00GPa，低延伸特征限制了其进一步广泛应用。

PAN前驱体纤维纺丝过程中，为了消除纤维内部的热应力，使其热力学处于稳定的状态，即获得尺寸稳定的PAN前驱体纤维，必须对其进行松弛热定型处理，松弛热定型通常与热水牵伸、蒸汽牵伸等有关，而PAN前驱体纤维的沸水收缩率则是一项用于表征纺丝过程中纤维的热定型程度的关键指标。在高强中模碳纤维制备过程中，PAN前驱体纤维沸水收缩率一般为3-4％，介于该值范围内通常认为热定型较好，而当该值介于6-7％时认为其热定型较差。

申请号为201510581367.1的公开了PAN基高模碳纤维前驱体纤维的制备方法，该发明在PAN前驱体纤维纺丝阶段热水牵伸倍率2-3倍、蒸汽牵伸倍率为1.5-2.5倍，由于热水牵伸倍率高，热定型后纤维择优取向，获得PAN前驱体纤维拉伸强度高达7-8cN/dtex，断裂伸长高于12％，虽然使用该前驱体纤维制备得到碳纤维的拉伸强度较高，但拉伸模量均低于480GPa。

申请号为201811101062.6的公开了用于获取高强高模碳纤维的高取向度聚丙烯腈原丝及其制备方法和应用，该发明在PAN前驱体纤维纺丝阶段蒸汽牵伸倍率更是高达3.0-7.0倍，由于热水牵伸倍率高，使用该前驱体纤维制备得到碳纤维的拉伸模量仅为378GPa-387 GPa。

申请号为201510581367.1的中国发明专利文献公开了一种PAN前驱体纤维的制备方法，通过聚合段的精确控制得到了性能稳定的纺丝液，在后期稳定的纺丝工艺下，得到了高品质PAN前驱体纤维，虽然前驱体纤维的沸水收缩率为介于5.0-6.0％，但其断裂伸长率、强度均较高，最终经过碳化石墨化工艺制备得到碳纤维拉伸模量不足500GPa。

因此可见，要制备高强高模碳纤维与提高碳纤维拉伸强度和延伸率之间总是不能兼得。

发明内容