[发明专利]超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法

权利要求书

1.一种制备超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维的方法，其中，包括：

(1)将丙烯腈和衣康酸或丙烯腈和衣康酸与丙烯酸甲酯进行聚合，得到聚合物纺丝溶液；

(2)将聚合物纺丝溶液依次进行凝固、蒸汽牵伸、水洗、上油、干燥、过热蒸汽牵伸和和热定型，得到聚丙烯腈原丝；

(3)将所述聚丙烯腈原丝进行预氧化和碳化处理，得到超高强度及中等模量聚丙烯腈基碳纤维，

其中，在步骤(2)中，所述凝固包括一级凝固、二级凝固和三级凝固，所述一级凝固的牵伸倍率为-0.5～3.0，所述二级凝固的牵伸倍率为1.0～2.0，所述三级凝固的牵伸倍率为1.2～3.0，

在步骤(3)中，所述预氧化过程中，温度为200～280摄氏度，时间为10～30分钟。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述一级凝固过程中凝固浴为浓度50～80wt％的二甲基亚砜水溶液，温度为20～70摄氏度，时间为0.5～3分钟。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述二级凝固过程中凝固浴为浓度30～50wt％的二甲基亚砜水溶液，温度为20～75摄氏度，时间为0.5～3分钟。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述三级凝固过程中凝固浴为蒸馏水，温度为80～90摄氏度，时间为0.5～3分钟。

5.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述蒸汽牵伸过程的牵伸倍率为1～8，

所述水洗过程的牵伸倍率为0.95～1.05，

所述干燥过程的温度为100～150℃，牵伸倍率为0.95～1.05，

所述过热蒸汽牵伸的温度为120～180℃，牵伸倍率为1.2～6，

所述热定型过程的牵伸比0.9～1.0。

6.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述预氧化包括四个逐级升温温区，牵伸比为1.0～1.2，每个所述温区中加热时间为4～8分钟。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述碳化包括低温碳化和高温碳化，

其中，

所述低温碳化在氧含量不高于1PPm的高纯氮气氛中进行，所述低温碳化温度为300～800℃，时间3～6分钟，牵伸比1.0～1.1；

所述高温碳化在氧含量不高于1PPm的高纯氮气氛中进行，所述高温碳化温度为1500～1800℃，时间5～10分钟，牵伸比0.95～1.1。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述低温碳化和所述高温碳化进一步包括中温碳化，所述中温碳化在氧含量不高于1PPm的高纯氮气氛中进行，所述中温碳化温度为1000～1200℃，时间为5～10分钟。

9.一种超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维，其中，所述碳纤维采用权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到。

10.如权利要求9所述的碳纤维，其中，所述碳纤维的直径为4～6μm，体密度为1.74～1.82g/cm³，拉伸强度为7.0～7.5GPa，拉伸模量为280～330GPa。