[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

说明书

本发明公开了超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，方法包括：(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；(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；(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。该方法在大大缩短预氧化处理时间的情况下制备得到超高强度中等模量的碳纤维。

技术领域

本发明属于纤维材料制备领域，涉及一种超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维(Carbon Fiber)是近年来发展迅速并得到广泛应用一种新型高强度材料，有着“新材料之王”的美誉，它是由纤维状的有机化合物依次经过预氧化、碳化等一系列不同的热处理工艺制成，通常碳纤维以束丝的形态存在，而每一束碳纤维则是由数千根甚至上万根更细的碳纤维单丝组成，每根纤维单丝的直径大约为5至8微米。从原子的层面来看，碳纤维的内部结构跟石墨非常接近，都是由六角型的碳网平面构成，因此我们通常把碳纤维的内部结构称为石墨结构。碳纤维中的石墨结构是一种典型的人工生长石墨，其碳网平面几乎完美地沿其法线方向堆叠，但晶粒沿着石墨平面依然存在微小的任意取向。碳纤维的化学组成中含碳量达90％以上，是特种纤维的主要品种，主要原因是其不仅具有碳材料的固有特性，还具备纺织纤维的柔软可加工性。

高性能碳纤维具有一系列优异的物理化学性能，如：耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、导电等，其中力学性能尤为突出，是其他金属或非金属材料难以企及的。碳纤维的比模量和比强度可以比钢和铝合金高数倍，真正做到了质轻高强，使得材料学的研究及高性能材料的应用向前迈进了一大步，碳纤维作为增强体制成的复合材料同样性能卓越，具有密度小、耐烧蚀、耐热冲击能力强以及耐化学腐蚀等优良性能，如今已经逐步发展成为世界各国研制先进军事武器不可或缺的重要材料之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，该方法通过对原丝热处理过程的控制，调控碳纤维中的类石墨结构以达到超高强度的特征，在大大缩短预氧化处理时间的情况下制备得到超高强度中等模量的碳纤维。具体的，得到的碳纤维具有圆形截面，直径在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。

本发明的第一方面提出了一种制备超高强度中等模量聚丙烯腈基碳纤维的方法，该方法包括：(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。

任选的，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。

任选的，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。

任选的，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。