[发明专利]一种具有表面沟槽结构的大直径高强中模碳纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有表面沟槽结构的大直径高强中模碳纤维及其制备方法。该纤维具有表面沟槽结构，平均直径在8.5μm～11μm，强度在4.9～6.0GPa，模量在270GPa～310GPa。采用湿法纺丝技术制备原丝，通过调控预氧化阶段各温区预氧化时间比，控制预氧纤维的皮芯比≥0.85，再经过低温碳化、高温碳化制得具有表面沟槽结构的大直径高强中模碳纤维。所制得的具有表面沟槽结构的大直径高强中模碳纤维不仅提升了纤维的准直性，也改善了复合材料制备中树脂的浸润性，最终提升了复合材料应用中的压缩强度等力学性能。

技术领域

本发明涉及一种具有表面沟槽结构的大直径高强中模聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，属于纤维技术领域。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维因其轻质、高强、高模等一系列优异的性能被广泛应用航天航空、国防军工、建筑补强、石油化工和休闲体育等领域，成为二十一世纪最具影响力的新型纤维材料之一。碳纤维根据其强度及模量等力学性能的不同而分为高强型(强度2000MPa、模量250 GPa)，高强中模型(强度5300MPa以上、模量280Gpa以上)，高模型 (模量300GPa以上)，超高强型(强度大于6000MPa)，超高模型(模量大于450GPa)等。

高强中模碳纤维由于其增强效果明显，以T800级碳纤维为代表，包括IM6、IM7、IMS等，它们的纤维直径均在5～6μm之间，主要用于结构材料的制备，它所制备的复合材料成为航天航空领域重要材料。高强中模碳纤维复合材料的拉伸性能非常好，赢得了众多应用领域的青睐，然而，其作为重要的主承力材料，结构件在平行纤维方向会受到不容忽视的压缩应力，就像飞机和运载火箭在转向过程中，飞机或火箭主体材料，一面承受拉应力，一面承受压应力，这就对复合材料的强度和抗压能力均提出了越来越高的要求，但现使用的高强中模碳纤维其压缩强度与拉伸强度严重失衡。

在实际应用中发现，碳纤维的准直性是影响其复合材料压缩性能的重要因素，碳纤维直径越大，其的准直性越好，有益于提升其复材的压缩强度。同时，碳纤维的表面沟槽结构和其直径的增加，有益于提高碳纤维的树脂浸润性，使其在与树脂复合制备复合材料时丝束浸胶越容易浸透、成型效率越高、复合材料压缩强度越高。但湿法纺制的具有表面沟槽的PAN原丝制备的碳纤维，较干湿法制备的表面光洁的PAN原丝制备的碳纤维，因表面沟槽的缺陷结构，强度很难提升，目前市面上有售的超高强度碳纤维均为干湿法纺制的原丝制备的可以说明该问题。相比于干湿法而言，制备表面具有沟槽结构的大直径高强中模碳纤维难度较大。而采用干湿法原丝制备大直径高强中模碳纤维，相对较容易，但因其表面光滑也会降低复合材料的界面性能。

现多采用降低直径的方法来提高具有表面沟槽结构碳纤维的力学性能，但同样也带来了其复材拉压比不平衡等问题，如何兼顾三者，在保持碳纤维性能指标前提下，增加具有表面沟槽结构碳纤维的直径是个有效方法，同时这对碳纤维生产效率的提高、生产成本的降低、碳纤维制备技术进步具有重要的积极意义。

对于大直径高强中模碳纤维，专利：CN102766989A公开了一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，其方法通过在原丝制备过程中，逐级控制纤维中溶剂的含量，并对纤维进行有效牵伸，碳纤维性能为：4.2～6.0GPa，拉伸模量为260～310GPa，碳纤维直径为4～ 8μm；专利：CN109252251A公布了大直径干湿法聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，其方法为干喷湿纺技术并控制原丝直径的调控，制得碳纤维性能为直径7～20μm、拉伸强度3.8～5.9GPa、拉伸模量230～300GPa 的大直径聚丙烯腈碳纤维；专利：CN109082730A公布了大直径聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，其纤维性能为直径10～20μm、拉伸强度3.8～4.6GPa、拉伸模量230～260GPa的大直径聚丙烯腈碳纤维。