[发明专利]一种聚丙烯腈基碳纤维及其表面沟槽结构的调控方法

说明书

本发明是关于一种聚丙烯腈基碳纤维及其表面沟槽结构的调控方法。主要采用的技术方案为：一种聚丙烯腈基碳纤维表面沟槽结构的调控方法，在聚丙烯腈基碳纤维制备步骤的凝固成型步骤中：将由喷丝装置喷出的纺丝细流凝固成型为初生纤维；其中，通过调节凝固浴液的溶度参数，来调控聚丙烯腈基碳纤维的表面沟槽结构。其中，本发明将聚丙烯腈基碳纤维的表面沟槽结构调控在如下范围内：沟槽的最大深度为0.06‑0.65μm、平均沟槽深度为0.043‑0.49μm；纤维表面粗糙度为0.01‑0.12μm、沟槽槽顶的平均间距为0.1‑0.6μm。本发明主要用于有效控制聚丙烯腈基碳纤维表面的沟槽结构，以使沟槽深浅程度适宜、表面粗糙度适宜、沟槽轴向平行性好。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维技术领域，特别是涉及一种聚丙烯腈基碳纤维及其表面沟槽结构的调控方法。

背景技术

碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构组成，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成。从发展历程看，聚丙烯腈基碳纤维是适应航天、航空、原子能等尖端工业的需要而研制开发的一种新材料，其具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高导电和导热、低热膨胀、自润滑和生物体相容性好等综合性能。

聚丙烯腈基碳纤维是由聚丙烯腈纤维经过预氧化、碳化过程制得。高品质的聚丙烯腈纤维是工业生产高性能聚丙烯腈基碳纤维的基础。目前，国内较为主流的是以湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维，高粘度的聚丙烯腈溶液(纺丝液)依次经过多级凝固浴成型、水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、松弛热定型工艺制备得到聚丙烯腈纤维。

利用湿法纺丝技术，无论采用有机溶剂还是无机溶剂，制备聚丙烯腈基碳纤维原丝，该原丝经预氧化、碳化工艺，最终得到的碳纤维表面均会存在明显的沟槽结构。总体来讲，沟槽的存在，在制造树脂基复合材料的过程中不仅使两相的接触面积增大，而且树脂沿沟槽容易渗流，可制得界面粘结较好的复合材料，可显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度，对碳纤维后续应用利大于弊。

但是，目前厂家生产出的聚丙烯腈基碳纤维，纤维表面的沟槽深浅程度差异大(局部沟槽极深)、纤维表面粗糙度大、沟槽纤维轴向平行度差。纤维局部沟槽较深导致纤维有效受力面积降低，强度降低，较深沟槽底部容易形成应力集中点。纤维表面粗糙度大，沟槽轴向平行度差，沟槽凌乱、纵横交错不利于上浆剂及复合树脂在纤维表面沿沟槽渗流、均匀铺展，因此碳纤维复合材料的复合界面粘结性差，力学性能偏低且离散较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种聚丙烯腈基碳纤维及其表面沟槽结构的调控方法，主要目的在于能有效控制聚丙烯腈基碳纤维表面的沟槽结构。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种聚丙烯腈基碳纤维表面沟槽结构的调控方法，其中，在聚丙烯腈基碳纤维制备步骤的凝固成型步骤中：

将由喷丝装置喷出的纺丝细流凝固成型为初生纤维；其中，通过调节凝固浴液的溶度参数，来调控聚丙烯腈基碳纤维的表面沟槽结构。

优选的，所述凝固浴液包括溶剂、凝固剂和调节剂；其中，通过所述调节剂调节所述凝固浴液的溶度参数。优选的，通过改变所述调节剂的成分调节所述凝固浴液的溶度参数。

优选的，所述调节剂选用乙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、碳酸氢铵、氨水中的一种或多种；优选的，所述调节剂选用乙醇、正丙醇、碳酸氢铵中的一种；或所述调节剂选用乙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、碳酸氢铵、氨水中的两种或两种以上。

所述溶剂选用二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯中一种或几种；和/或所述凝固剂为水。