[发明专利]一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法，包括如下步骤：对先驱体纤维进行热处理，得到热交联纤维，以环化程度作为热交联纤维的结构控制指标，选择环化程度在55～100％范围的热交联纤维，将选择得到的纤维连续依次通过七温区低温碳化炉、三温区高温碳化炉和单温区石墨化炉，制备得到所述的高拉伸模量石墨纤维。在纤维连续制备过程中，通过对原料纤维环化程度的控制，合理设计低温碳化、高温碳化以及石墨化的处理工艺，实现碳纤维的高模量性能，通过本发明方法制备获得的碳纤维拉伸模量高于500GPa。

技术领域

本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高拉伸模量石墨纤维及其制备方法。

背景技术

石墨纤维是一种高模量碳纤维，其热膨胀系数小、导热性好，主要应用于对刚度要求高、热变形小的制件中，如制作太阳翼、天线、空间光学遥感器结构等。相比于中等模量或通用碳纤维，石墨纤维在化学组成上具有更高的含碳量，在微观结构上表现为石墨微晶尺寸增加。

石墨微晶结构是碳纤维实现高模量的结构基础，从纤维结构演变的角度看，热交联纤维中已经具备类似石墨结构的环状结构，该结构经过进一步高温处理，缩聚、融合为石墨微晶结构，同时，热交联纤维中的非环状结构在高温处理中被热裂解，生成小分子气体或焦油等。因此，热交联纤维中的环化程度可以成为构建高模量碳纤维的评价指标，环状结构越多，环化程度越高，碳纤维的模量与环化程度成非线性正比关系。

申请号为201110330682.9的中国发明专利公开了一种高强度高模量碳纤维的制备方法，通过将聚丙烯腈共聚纤维在热处理炉中进行预处理，选择无定形区分子链的取向度f_a值在35～45％范围内的纤维进行热氧化稳定化、低温碳化和高温碳化处理制得碳纤维。尽管结构取向也是影响纤维力学的主要因素之一，但是无定形区分子链的取向度的确定并不有助于纤维环状结构的判断，更无法确立纤维中环状结构对石墨纤维模量的作用。因此，该发明获得的碳纤维模量高于240GPa，仅达到中等模量水平。

申请号为200810036189.4的中国发明专利公开了一种碳纤维前驱体聚丙烯腈纤维的预氧化方法，将聚丙烯腈纤维原丝进行预氧化，在氮气保护下对纤维进行热处理以提高纤维反应性，有利于环化反应，同时在氮气保护下施加刚性牵伸以提高分子链的取向程度，制得高强度高模量碳纤维。该发明仅公开了预氧化过程有利于环化反应，没有选取出具有一定环化程度的纤维，也没有确立纤维环状结构对碳纤维模量的作用，因而同本申请纤维制备过程中环化程度的选择存在显著差别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高拉伸模量，扩大其应用领域的高拉伸模量石墨纤维的制备方法。

一种高拉伸模量石墨纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)对聚丙烯腈纤维进行热处理，得到热交联纤维；

(2)以环化程度作为热交联纤维的结构控制指标，选择环化程度CI值在55～100％范围内的热交联纤维；

其中，环化程度指通过X射线衍射图中分峰计算获得的环状结构所占的比例，环化程度CI＝I_G/(I_PAN+I_G)×100％；

式中，I_G和I_PAN通过X射线衍射检测后分峰获得；I_G为环状结构峰面积，由2θ≈25.5°处的峰面积确定；I_PAN为线形结构峰面积，由2θ≈17°处的峰面积确定；

(3)将步骤(2)选择得到的热交联纤维依次连续通过七温区低温碳化炉、三温区高温碳化炉和单温区石墨化炉，制备得到高拉伸模量石墨纤维。

本发明方法选取了具有一定环化程度的热交联纤维，使纤维在低温碳化前就具有了一定的环状结构，为制备高拉伸模量石墨纤维奠定了基础。