一种抑制碳纤维结构不均匀性的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于材料学技术领域，尤其涉及一种碳材料，具体来说是涉及一种抑制碳 纤维结构不均匀性的方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是一种典型的高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲 劳、抗辐射、导电、传热、减震、低密度和可加工性高等优点。目前，碳纤维已广泛应用于航天 航空、国防军事等尖端领域和高级体育用品、医疗器械等民用行业，随着国家产业经济的升 级，碳纤维将发挥越来越重要的作用。PAN纤维是生产高性能碳纤维最有前途的前驱体，利 用PAN纤维制备的碳纤维综合性能最好，生产工艺简单。
[0003] PAN基碳纤维的制备过程，首先是通过聚合反应，将主成分单体丙烯腈和其他共聚 单体进行聚合，获得具有大分子链状结构的聚合物;然后通过纺丝成型过程，获得具有一定 凝聚态结构的PAN原丝；随后将PAN纤维在200-300°C的空气气氛条件下，进行热稳定化处理 (也称作预氧化处理），使分子链中的腈基侧基进行分子内和分子间的交联，以形成稳定的 梯型聚合物网络结构，从而使纤维在碳化过程中能够保持其形态;接下来将预氧化纤维在 惰性气氛保护下，经350-1600°C的碳化处理，脱除非碳元素后得到碳纤维。对于聚丙烯腈基 碳纤维的碳化阶段，主要发生的是由预氧纤维中梯形环状结构向乱层石墨结构转变的过 程，在惰性气体保护下，非碳元素的不断脱除中伴随着复杂的热分解和热缩聚反应。
[0004] 目前生产的碳纤维性能不佳，其整体结构的不均匀性（即皮芯结构)是造成其性能 降低的主要原因。碳纤维的皮芯结构形成主要有三个方面:遗传于PAN原丝;预氧化过程中 温度梯度及氧的扩散问题;炭化过程中的温度梯度。在传统炭化工艺过程中，炭化加热方式 是根据热传导、对流和辐射原理使热量从外部传至碳纤维内部，碳纤维不可避免地存在温 度梯度，使纤维加热不均匀，从而产生皮芯结构。皮芯现象是造成碳纤维结构不均匀的主要 问题，一直以来众多研究都致力于解决这个问题。另外，传统的传热方式达到热平衡需要较 长的时间，长时间加热造成散失热量大，使生产耗时耗能。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种抑制碳纤维结构不均 匀性的方法，该方法可以解决现有技术在对聚丙烯腈纤维炭化过程中产生皮芯现象而导致 碳纤维结构不均匀、碳纤维质量降低的问题，也可有效缩短碳纤维的炭化生产时间和成本。
[0006] 微波加热技术是通过材料科学与微波技术的交叉结合而发展出的一种新型的快 速加热技术。微波加热是基于物质与电磁场相互作用中产生热效应的原理，当材料的基本 细微结构与特定频率的电磁场耦合时，内部微观粒子响应电磁振荡，热运动加剧，材料发生 介质损耗，吸收微波能转化为热能。炭化处理采用微波加热法，通过高频电磁的高速变化使 分子间摩擦产生热能，使预氧化纤维整体被均匀加热，所得的碳纤维结构均匀。另外微波加 热方式可使碳纤维的炭化反应更充分，可有效缩短工艺过程生产时间和成本。
[0007] 本发明提供的一种抑制碳纤维结构不均匀性的方法，其具体步骤如下：
[0008] (1)将纤维原丝放入管式炉中进行预氧化处理，空气气氛，预氧化温度控制在250-300°C，升温速率控制在l_5°C/min，在预氧化温度下保温60-180min，冷却至室温后得到预 氧化纤维；
[0009] (2)在惰性气体保护下，将上述预氧化纤维放入微波加热炉中，通过微波加热进行 炭化处理；其中：炭化温度为600-1600°C，升温速率为l_40°C/min，在炭化温度下保温 60min，样品转速为l_15r/min。
[0010] 进一步的，步骤（1)中所述纤维原丝来源于聚丙烯腈基纤维，将其缠绕在陶瓷棒 上，两端用环氧胶固定。
[0011] 进一步的，步骤(2)中所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气或其组合；
[0012] 进一步的，步骤（2)中所述炭化温度需测温环进行温度校正，将测温环用步骤（1) 所得预氧化纤维包裹住。
[0013] 本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的一种抑制碳纤维结构不 均匀性的方法与现有方法相比，由于是微波加热炭化，热源来自碳纤维自身，加热均匀，有 效的解决了纤维炭化中出现皮芯结构的技术问题，制得了整体结构均匀的碳纤维，从而提 高了碳纤维的性能。另外，微波加热使纤维炭化反应更充分，从而也有效缩短了工艺过程的 生产时间和成本。
【附图说明】
[0014] 图1是碳纤维截面的拉曼和SEM-EDS线扫描测试示意图。
[0015] 图2是实施例1所得微波加热碳纤维与对比例1所得传统加热碳纤维的截面拉曼 Id/Ig值图。
[0016] 图3是实施例1所得微波加热碳纤维与对比例1所得传统加热碳纤维的SEM-EDS图。
【具体实施方式】
[0017] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步阐述，但并不限制本发明。
[0018] 碳纤维拉曼分析采用英国雷尼绍公司的INVIA型共焦显微拉曼光谱仪，激发波长 633nm。通常利用拉曼光谱对碳纤维的微观结构进行了解，在拉曼分析中，主要由位于 1580CHT 1处的G峰和位于1360CHT1处的D峰相对强度比值R大小来判断石墨化程度和结构完 整的程度，如公式(1)所示：
[0019] R=Id/Ig (1)
[0020] R值越小代表石墨化程度越高。将碳纤维截面沿直径打点做Mapping得出碳纤维截 面的碳化程度分布图，即R值分布情况，可以了解碳纤维结构的均匀程度。扫描示意图如图1 所示，沿纤维横截面线扫描，测试点为6个。
[0021] 采用HITACHI公司S-3400N型场发射扫描电镜（SEM)观察纤维的横截面形貌，并采 用X光微区分析(EDS)对纤维横截面的碳含量进行测试。扫描示意图如图1所示，沿纤维横截 面线扫描，测试点为6个。
[0022] 纤维剪碎研磨后，采用ELEMENTAR公司Vario Micro cube型有机元素分析仪对纤 维进行元素分析测试。
[0023] 实施例1
[0024] (1)将聚丙烯腈基纤维缠绕在陶瓷棒上，两端用环氧胶固定，放入管式炉中进行预 氧化处理，空气气氛，预氧化温度控制在270°C，升温速率控制在l°C/min，在预氧化温度下 保温60min，冷却至室温后得到预氧化纤维。
[0025] (2)在氩气气氛中，将上述预氧化纤维放入微波加热炉中，直接由微波加热进行炭 化处理。将测温环用步骤（1)所得预氧化