[发明专利]高强高模碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了高强高模碳纤维及其制备方法，该方法按照下列步骤实现：(1)将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化、低温碳化和高温碳化，得到碳纤维；(2)将所述碳纤维在惰性气氛下进行红外激光辐照处理，得到辐射处理碳纤维；(3)将所述辐射处理碳纤维进行γ射线辐照处理，得到高强高模碳纤维。该方法在将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化、低温碳化和高温碳化后再进行红外激光辐照处理，可以使碳纤维的乱层石墨结构发生重排，形成有序结构，也即石墨化，并且激光升温速率快，能够缩短石墨化时间、提高生产速率，然后对经红外激光辐照处理的碳纤维进一步进行γ射线辐照处理可以使碳纤维片层之间发生交联，从而进一步提高碳纤维的强度和模量。

技术领域

本发明属于碳纤维生产领域，特别是一种高强高模碳纤维及其制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维由于其高强高模等特点被广泛应用于复合材料。在1500℃高温碳化条件下得到的碳纤维具有最大的强度，当温度超过1500℃时强度逐渐下降，而碳纤维的模量随着温度的升高是呈单调上升趋势的，因此碳纤维的高强度和高模量的性能很难同时兼顾。模量的升高是由于晶粒尺寸变大，取向更好。而强度的降低是由于在高温条件下石墨片层之间的交联结构被破坏。

因此，如何制备得到高强高模的碳纤维技术有待进一步研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强高模碳纤维及其制备方法，该方法在将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化、低温碳化和高温碳化后再进行红外激光辐照处理，可以使碳纤维的乱层石墨结构发生重排，形成有序结构，也即石墨化，并且激光升温速率快，能够缩短石墨化时间、提高生产速率，然后对经红外激光辐照处理的碳纤维进一步进行γ射线辐照处理可以使碳纤维片层之间发生交联，从而进一步提高碳纤维的强度和模量。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备高强高模碳纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将聚丙烯腈原丝依次进行预氧化、低温碳化和高温碳化，得到碳纤维；(2)将所述碳纤维在惰性气氛下进行红外激光辐照处理，得到辐射处理碳纤维；(3)将所述辐射处理碳纤维进行γ射线辐照处理，以便得到高强高模碳纤维。

优选地，在步骤(1)中，所述聚丙烯腈原丝中丙烯腈的含量不低于90wt％。由此，可以保证所得碳纤维具有较高的取向度、强度和模量。

优选地，在步骤(1)中，所述聚丙烯腈原丝中含有丙烯酰胺共聚物和甲基丙烯酸甲酯共聚物中的至少之一。

优选地，在步骤(1)中，所述预氧化的温度为150～290℃，气氛为空气气氛，张力为0～50MPa，时间为1～120min。

优选地，在步骤(1)中，所述预氧化是在连续热反应炉中进行的。

优选地，在步骤(1)中，所述低温碳化的温度为350～700℃，气氛为氮气气氛，张力为5～40MPa

优选地，在步骤(1)中，所述高温碳化的温度1000～1400℃，气氛为氮气气氛，张力为10～160MPa。

优选地，在步骤(2)中，所述红外激光辐照的激光光源的波长为760nm～1mm，功率为4～10kW/cm²。由此，可以进一步提高所得碳纤维的取向度、强度和模量。

优选地，在步骤(3)中，所述γ射线辐照处理是在空气、真空或惰性气氛中进行的。

优选地，在步骤(3)中，所述γ射线辐照处理的辐射源为⁶⁰Coγ射线，辐射剂量为10-10000kGy，辐射剂量率为0.01-100kGy/h。由此，可以进一步提高所得碳纤维的取向度、强度和模量。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种高强高模碳纤维。根据本发明的实施例，所述高强高模碳纤维是采用上述所述方法制备得到的。由此，该碳纤维具有较高的强度和模量。