专利名称：一种通过控制张力制备高性能碳纤维的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备高性能碳纤维的方法。
背景技术：
碳纤维兼具高强、高模、轻质、热膨胀系数小、耐烧蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电等优点，被广泛用于航天、军工和民用等各领域。聚丙烯腈共聚纤维是制备碳纤维的理想前躯体，主要经过热氧稳定化、低温碳化和高温碳化等阶段。在该过程中，牵伸是必不可少的工序，它可以使聚丙烯腈分子链保持一定的取向，避免分子链因受热又恢复到纺丝前的无序状态。目前主要采用牵伸比作为衡量标准，但这种方法忽视了纤维束中单根纤维的差异性， 使得一些单根纤维被迫拉伸到设定的牵伸比而发生断裂，从而加重了所的碳纤维的毛丝。 本发明采用张力作为衡量标准对聚丙烯腈基纤维进行低温同步改性处理，与常规的以牵伸比作为标准的方式相比，本方法明显降低了碳纤维的毛丝程度，有效改善了碳纤维的力学性能。
发明内容
本发明的旨在提供提供一种可以提高碳纤维的抗张强度，扩大其应用领域的高强碳纤维的制备方法。在热氧稳定化之前，在空气介质下120 200°C、5 30MPa的张力，进行2 10分钟的低温同步改性处理。本发明提供一种制备高性能碳纤维的方法，以聚丙烯腈共聚纤维为原丝，按照以下步骤进行制备高性能碳纤维低温同步改性在热氧稳定化之前引入低温同步改性处理，将共聚物中丙烯腈单体的质量含量不低于90%的聚丙烯腈共聚纤维置于温度为120 200°C的热处理炉中，施以5 30MPa的张力，在空气介质下进行2 10分钟的低温同步改性处理；将上述低温同步改性获得纤维进行热氧稳定化和碳化处理制得碳纤维。低温同步改性步骤中张力的最佳范围是11 30MPa。所述的聚丙烯腈共聚纤维可以为采用湿法、干法或干湿法纺制的纤维，纤维丝束可为1 48K。上述聚丙烯腈共聚纤维含有10%质量含量以下的一种或多种共聚物丙烯酸、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。这是由于制备原丝的方法不同造成的，只要原丝中丙烯腈单体的质量含量不低于90%的上述共聚物，本发明即可适用。本发明的效果采用张力作为衡量标准对聚丙烯腈基纤维进行低温同步改性处理，与常规的以牵伸比作为标准的方式相比，本方法明显降低了碳纤维的毛丝程度，大大改善了碳纤维的力学性能，当低温同步改性阶段的张力为5 30MPa时，所得碳纤维的抗张强度均在3. 5GPa以上。本发明对制备高性能碳纤维具有指导意义。
图1低温同步改性装置示意图
具体实施例方式实施例1采用日本旭化成公司生产的48K聚丙烯腈共聚纤维，纤维所用的聚合单体及质量分数为丙烯腈92%，烯丙基氯7%，α-氯丙烯1%。在低温同步改性阶段(如图1所示的装置)，通过前后两组驱动辊转速的实时调节实现对纤维施加5MPa的张力，在空气介质中， 炉内温度为120°C，纤维在该炉内的停留时间为％iin，得到低温同步改性纤维；对低温同步改性后的纤维在空气介质中进行200 0C、230 0C、255 °C和280 °C热氧稳定化处理，在每个温区内的停留时间均为15min，共计60min，牵伸比为9%，得到热氧稳定化纤维；在氮气保护下，对热氧稳定化纤维进行320°C、450°C、58(rC和680°C低温碳化，停留时间均为0. 5min, 共计2min，施加6%牵伸比，在1300°C进行高温碳化，停留时间为Imin，施加-1 %牵伸比，制得碳纤维。根据国标GB-T3362-2005对碳纤维进行力学性能测试。实施例2采用日本旭化成公司生产的48K聚丙烯腈共聚纤维，在低温同步改性对纤维施加 IlMPa的张力，在空气介质中，炉内温度为140°C，纤维在该炉内的停留时间为％iin，得到低温同步改性纤维，其它工艺参数及操作同实施例1。实施例3采用日本旭化成公司生产的48K聚丙烯腈共聚纤维，在低温同步改性对纤维施加 17MPa的张力，在空气介质中，炉内温度为150°C，纤维在该炉内的停留时间为6min，得到低温同步改性纤维；其它工艺参数及操作同实施例1。实施例4采用日本旭化成公司生产的48K聚丙烯腈共聚纤维，在低温同步改性对纤维施加 23MPa的张力，在空气介质中，炉内温度为170°C，纤维在该炉内的停留时间为8min，得到低温同步改性纤维；其它工艺参数及操作同实施例1。实施例5采用日本旭化成公司生产的48K聚丙烯腈共聚纤维，在低温同步改性对纤维施加 30MPa的张力，在空气介质中，炉内温度为190°C，纤维在该炉内的停留时间为lOmin，得到低温同步改性纤维；其它工艺参数及操作同实施例1。实施例6采用美国Hexcel公司生产的24K聚丙烯腈共聚纤维，纤维所用的聚合单体及质量分数为丙烯腈92%，丙烯酰胺6%，甲基丙烯基丙酮2%。其它工艺参数及操作同实施例 1。实施例7采用美国Hexcel公司生产的24K聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例2。实施例8采用美国Hexcel公司生产的24K聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例3。
实施例9采用美国Hexcel公司生产的24K聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例4。实施例10采用美国Hexcel公司生产的24K聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例5。实施例11采用上海石化公司干法纺制的1 聚丙烯腈共聚纤维，纤维所用的聚合单体及质量分数为丙烯腈93 %，羟烷基丙烯腈6 %，甲基丙烯基丙酮1 %。其它工艺参数及操作同实施例1。实施例12采用上海石化公司干法纺制的1 聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例2。实施例13采用上海石化公司干法纺制的1 聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例3。实施例14采用上海石化公司干法纺制的1 聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例4。实施例15采用上海石化公司干法纺制的1 聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例5。实施例16采用湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的I聚丙烯腈共聚纤维，纤维所用的聚合单体及质量分数为丙烯腈96 %、甲叉丁二酸1 %、丙烯酸甲酯3 %。其它工艺参数及操作同实施例1。实施例17采用湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的I聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例2。实施例18采用湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的I聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例3。实施例19采用湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的I聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例4。实施例20采用湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的I聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例5。实施例21
采用威海光威公司生产的IK聚丙烯腈共聚纤维，纤维所用的聚合单体及质量分数为丙烯腈93%、二丙酮丙烯酰胺6 %、α-氯丙烯1%。其它工艺参数及操作同实施例1。实施例22采用威海光威公司生产的m聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例2。实施例23采用威海光威公司生产的m聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例3。实施例24采用威海光威公司生产的m聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例4。实施例25采用威海光威公司生产的m聚丙烯腈共聚纤维，其它工艺参数及操作同实施例5。将上述实施例中聚丙烯腈基纤维的K数、低温同步改性阶段的张力以及所得到的碳纤维的抗张强度列于表1。表 权利要求
1.一种通过控制张力制备高性能碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤 低温同步改性在热氧稳定化之前引入低温同步改性处理，将共聚物中丙烯腈单体的质量含量不低于90%的聚丙烯腈共聚纤维置于温度为120 200°C的热处理炉中，施以 5 30MPa的张力，在空气介质下进行2 10分钟的低温同步改性处理； 将上述低温同步改性获得纤维进行热氧稳定化和碳化处理制得碳纤维。
2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，在低温同步改性阶段所施加的张力范围是 11 30MPa。
3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，聚丙烯腈共聚纤维采用湿法、干法或干湿法纺制的纤维，纤维丝束为1 48K。
全文摘要
一种通过控制张力制备高性能碳纤维的方法，其特征在于，将聚丙烯腈共聚纤维置于温度为120～200℃的热处理炉中，施以5～30MPa的张力，在空气介质下进行2～10分钟的低温同步改性处理。将处理后的纤维进行热氧稳定化和碳化处理制得碳纤维。本发明制得的碳纤维的抗张强度均高于3.5GPa。
文档编号D01F9/22GK102505190SQ201110331570
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者刘杰, 梁节英, 连峰, 马兆昆 申请人:北京化工大学