專利名稱：：一種高強度炭纖維的制備方法
技術領域：
：本發明屬于新材料制備領域，具體涉及一種高強度炭纖維的制備方法。
背景技術：
：炭纖維發展起源于20世紀50年代，經過五十多年的發展，其應用領域越來越廣泛。隨著科技的發展，對炭纖維性能的要求也越來越高。根據理論計算，炭纖維的拉伸強度應為182.8GPa,然而實際上，炭纖維的拉伸強度最高才能達到9GPa左右。可以看出炭纖維的實際拉伸強度比理論計算出的拉伸強度低得多，原因是纖維的結構達不到假設的那種完整水平，即在結構上存在缺陷。目前，占炭纖維產量90%以上的T-300炭纖維的拉伸強度約為3.3~3.6Gpa。而拉伸強度在9.OGpa以上的炭纖維都是特殊紡制的原絲，并通過大幅度降低炭纖維直徑(由7.0iam降到5.0)im左右)的技術途徑來實現的。因此，其價格相當昂貴，極大限制了其應用。為了降低成本，通常通過改性的方法將普通原絲制造成高強度炭纖維。采用NiS04對聚丙烯腈原絲進行改性的方法(高分子學報，2001年，第5期)，將炭纖維的拉伸強度從2.5GPa提高至3.2GPa,但其拉伸強度仍達不到T300水平，這限制了其在一般結構性復合材料中的應用。王強、朱波等采用H2S04和HC1的混合酸對預氧化纖維進行處理的方法(高分子材料與工程，2006年，第4期)，將炭纖維的拉伸強度從2.76GPa提高到3.21GPa，但這種方法采用強酸，且設備復雜，不利于工業化生產。
發明內容本發明的目的在于解決現有技術的問題，而提供一種高強炭纖維的制備方法。本發明通過將原絲聚丙烯腈纖維依次經磺胺溶液化學改性、物理改性預氧化、低溫炭化和高溫炭化處理制得高強度碳纖維，具體步驟如下A、化學改性在"10(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為2~15°/。的磺胺溶液中1~10分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于140~220°C,施以0~+10%伸長率的牽伸下，預處理110分鐘；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~28(TC的預氧化爐中，保持纖維定長，處理20100分鐘；D、碳化將預氧化后的聚丙烯腈共聚纖維在惰性氣氛保護下，依次進行低溫炭化和高溫炭化處理，其中，低溫炭化的溫度為300~800°C，升溫速率不超過每分鐘300°C，在0~+6%伸長率的牽伸下處理G.1~3分鐘；高溫炭化的溫度為1200~1600°C,在-3~0%收縮率的牽伸下處理0.1-2分鐘，制得高強度炭纖維。其中，所述的聚丙烯腈共聚纖維為丙烯腈單體與丙烯酸、曱基丙烯酸、甲基丙烯酸曱酯、丙烯酸曱酯、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸或羥烷基丙烯酸酯類中的一種或幾種的共聚物，聚丙烯腈共聚纖維中丙烯腈單體的質量含量不低于90%。所述的聚丙烯腈共聚纖維中一束纖維內單絲孔數為0.1~32萬，單絲纖度為0.5~3.0旦。可采用現有技術中的干法、濕法或干濕法紡制而成。作為本發明的優選技術方案，步驟A中將聚丙烯腈纖維浸漬于質量百分濃度為5~12%的石黃胺溶液中。與現有技術相比較，本發明具有以下有益效果本發明在預氧化前對聚丙烯腈纖維進行化學與物理改性，磺胺改性處理使聚丙烯腈纖維的微觀結構得到改善，改變熱化學反應特征放熱，使聚丙烯腈纖維在預氧化過程中放熱起始溫度降低，結束溫度提高，放熱區間加寬，起到緩和放熱反應，改善纖維的序態結構，釋放纖維內應力，提高纖維截面均一性的作用。在炭化過程中，可以使反應不至過分劇烈，減少缺陷的發生。通過磺胺化學改性和預處理物理改性的共同作用，纖維在經過炭化以后，炭纖維的拉伸強度相比未經改性的碳纖維最大可提高達25.72%。本發明方法操作方便、設備簡單、無環境污染、生產成本低，可直接與現有的炭纖維生產線在線配套使用。本發明方法制備的炭纖維不引入任何金屬雜質，拉伸強度由未改性時的3.3~3.5GPa提高至3.7~4.2GPa。以下結合具體實施方式對本發明作進一步說明。具體實施例方式下述實施例中均選用英國courtaulds^^司采用濕法紡制的聚丙烯腈共聚纖維(其單絲孔數為3000的3K,纖度1.1旦(l.22dtex),共聚物組成按質量百分比為丙烯腈單體96%、丙烯酸甲酯3%、曱叉丁二酸1W實施例1A、化學改性在8(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5%的磺胺溶液中3分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于180。C，施以+10%伸長率的牽伸下，進行5分鐘的預處理；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~28(TC的預氧化爐中，保持纖維定長，處理60分鐘；D、碳化將預氧化后的聚丙烯腈共聚纖維在惰性氣氛保護下，進行低溫炭化、高溫炭化處理，其中低溫炭化的溫度為300~700°C,升溫速率每分鐘30(TC,纖維在+4%伸長的牽伸下處理1分鐘；高溫炭化的溫度為1320。C,纖維在-2%收縮率的牽伸下處理1分鐘后制得高強度炭纖維。實施例2A、化學改性同實施例1的A步驟；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于140°C,施以+5%伸長率的牽伸下，進行10分鐘的預處理；C、預氧化同實施例1的步驟C;D、碳化同實施例1的步驟D;實施例3A、化學改性同實施例1的A步驟；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于200。C，施以+3%伸長率的牽伸下，進行5分鐘的預處理；C、預氧化同實施例1的步驟C;D、碳化同實施例1的步驟D;實施例4A、化學改性在7(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5%的磺胺溶液中5分鐘，而后水洗；B、物理改性同實施例1的步驟B;C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~280。C的預氧化爐，保持纖維定長，處理80分鐘；D、碳化同實施例1的步驟D;實施例5A、化學改性在80。C下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為7%的磺胺溶液中3分鐘，而后水洗；B、物理改性同實施例1的步驟B;C、預氧化同實施例1的步驟C;D、碳化同實施例1的步驟D;實施例6A、化學改性在70。C下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5%的磺胺溶液中5分鐘，而后水洗；B、物理改性同實施例1的步驟B;C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210-28(TC的預氧化爐，保持纖維定長，處理80分鐘；D、碳化同實施例1的步驟D;實施例7A、化學改性在70。C下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5%的磺胺溶液中7分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于200°C,施以+3%伸長率的牽伸下，進行5分鐘的預處理；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~28(TC的預氧化爐，保持纖維定長，處理80分鐘；D、vf友化同實施例1的步驟D;實施例8A、化學改性在8(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為10%的磺胺溶液中3分鐘，而后水洗；B、物理改性同實施例1的步驟B;C、預氧化同實施例1的步驟C;D、碳化同實施例1的步驟D;實施例9A、化學改性在9(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為10°/的磺胺溶液中5分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于140。C,施以+5%伸長率的牽伸下，進行10分鐘的預處理；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~28(TC的預氧化爐，保持纖維定長，處理80分鐘；D、碳化同實施例1的步驟D;實施例10A、化學改性在7(TC下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為5%的^#胺溶液中7分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于200。C，施以+3%伸長率的牽伸下，進行5分鐘的預處理；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210~280。C的預氧化爐處理80分鐘；D、碳化同實施例1的步驟D;將本發明實施例1-10中制備的高強度炭纖維與未經過實施例1-10中的化學改性和物理改性步驟，而直接采用預氧化和碳化步驟制備的碳纖維的拉伸強度進行比較，結果如表1中所示(拉伸強度根據國標GB3357-82測定)。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l:TS1:未改性炭纖維的拉伸強度(GPa)、TS2:本發明所制備的炭纖維的拉伸強度(GPa)權利要求1、一種高強度炭纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟A、化學改性在20～100℃下，將聚丙烯腈共聚纖維浸漬于質量百分濃度為2～15％的磺胺溶液中1～10分鐘，而后水洗；B、物理改性將化學改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于140～220℃，施以0～+10％伸長率的牽伸下，預處理1～10分鐘；C、預氧化將物理改性后的聚丙烯腈共聚纖維在空氣介質中于210～280℃的預氧化爐中，保持纖維定長，處理20～100分鐘；D、碳化將預氧化后的聚丙烯腈共聚纖維在惰性氣氛保護下，依次進行低溫炭化和高溫炭化處理，其中，低溫炭化的溫度為300～800℃，升溫速率不超過每分鐘300℃，在0～+6％伸長率的牽伸下處理0.1～3分鐘；高溫炭化的溫度為1200～1600℃，在-3～0％收縮率的牽伸下處理0.1～2分鐘，制得高強度炭纖維。2、根據權利要求l所述的方法，其特征在于，步驟A中所述的聚丙烯腈共聚纖維為丙烯腈單體與丙烯酸、甲基丙烯酸、曱基丙烯酸甲酯、丙烯酸曱酯、羥烷基丙烯腈、羥烷基丙烯酸或羥烷基丙烯酸酯類中的一種或幾種的共聚物，聚丙烯腈共聚纖維中丙烯腈單體的質量含量不低于90%。3、根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的聚丙烯腈共聚纖維中一束纖維內單絲孔it為0.1~32萬，單絲纖度為0.5-3.0旦。4、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A中的磺胺溶液的質量百分濃度為5~12%。全文摘要一種高強度炭纖維的制備方法屬于新材料制備領域。本發明的目的在于提供一種高強度炭纖維的制備方法。本發明通過將原絲聚丙烯腈纖維依次經磺胺溶液化學改性、物理改性、預氧化，低溫炭化和高溫炭化處理制得高強度炭纖維。本發明所提供的方法操作簡便，成本低，所制備的炭纖維的拉伸強度高。文檔編號D01F9/14GK101560701SQ20091008392公開日2009年10月21日申請日期2009年5月13日優先權日2009年5月13日發明者杰劉,劉永華,梁節英,馬兆昆申請人:北京化工大學