[发明专利]一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有中模量（260~310GPa）的高强度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

碳纤维是随着宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需求而研制开发的一种新型高强度材料，其主要用途是作为增强材料。由于碳纤维增强的复合材料具有一般碳材料的各种优良性能，如密度小、耐热性好、耐化学腐蚀、耐热冲击等，因此，以聚丙烯腈基碳纤维为主的高性能碳纤维生产和应用得到了迅速发展，在航空航天、能源交通、工程建筑等民用和国防领域都具有广泛的应用。目前，世界上聚丙烯腈基碳纤维的制造商主要有日本东丽、东邦、三菱人造丝以及美国的Hexcel、Zoltek等。

碳纤维根据其强度以及模量等力学性能匹配的不同，应用方向也不尽相同，如高模量碳纤维，由于其轻量化和尺寸稳定性好的特点，主要用于航天领域，而高强度碳纤维，由于其增强效果明显，主要用于结构件材料的制备。本发明所涉及的中模量碳纤维，其模量范围在260~310GPa，兼具刚性和柔软可加工性的特点，可在航空、工业领域广泛应用。

聚丙烯腈原丝的制备工艺是碳纤维制备的关键技术之一，碳纤维的力学性能与原丝制备过程的工艺控制密切相关。聚丙烯腈原丝的制备通常是采用二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等有机溶剂或者硫氰酸钠、氯化锌等无机溶剂制成纺丝溶液后，经过凝固成型、牵伸、水洗、上油、干燥致密化等工艺得到聚丙烯腈原丝。其中，二甲基亚砜溶剂毒性相对较低，并且具有工艺相对简单、工艺成熟的特点，因此得到了广泛的应用。为了制备高性能碳纤维，多年来人们一直在研究如何提高碳纤维的力学性能，尤其是强度和模量的匹配，但是大多通过调整碳化温度或是纤维直径的方法来实施，而碳化温度的提高易造成强度的损失，目前现行的技术只能通过降低纤维直径的办法，在一定温度下进行碳化后才能得到中模量碳纤维，而纤维直径降低后，给复合材料的制备带来一定的困难，因此单纯地降低纤维直径对于碳纤维的应用有着不利的影响。本发明涉及的中模量高强度碳纤维及其制备方法，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，从而控制聚丙烯腈原丝晶区及非晶区取向度，以此来调控碳纤维的模量，使其达到中模量范围，相关技术尚未见有相关报道。本发明提供的制备技术，可以在不同纤度条件下获得模量范围260~310GPa，强度范围在4.2~6.0GPa的具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，该纤维具有圆形或近似圆形截面，直径为4～8μm，拉伸强度为4.2～6.0GPa，拉伸模量为260～310GPa。利用湿法或干湿法纺丝技术，通过对原丝纺丝过程中，逐级控制纤维中的溶剂含量并在此溶剂环境下对纤维进行有效牵伸，调控原丝晶区及非晶区取向度，从而制备出具有高取向度高致密性的聚丙烯腈原丝，而后在预氧化过程中通过预氧化结构控制，最终制备出具有中模量范围的高强度聚丙烯腈基碳纤维。

本发明提供的一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维，具有圆形截面或近似圆形，直径在4～8μm，拉伸强度在4.2～6.0GPa，拉伸模量为260～310GPa。

本发明还提供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，采用湿法或干湿法纺丝技术制备原丝，原丝经预氧化、碳化制得中模量高强度碳纤维，其特征在于，在聚丙烯腈湿法或干湿法纺丝过程中，逐级控制纤维中的溶剂含量并在此溶剂环境下对纤维进行有效牵伸，调控原丝晶区及非晶区取向度，从而制备出具有高取向度高致密性的聚丙烯腈原丝，并经预氧化碳化后制备出中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维，具体包括以下步骤：

(1)二元或三元共聚组分纺丝原液制备

将丙烯腈、衣康酸、丙烯酸甲酯按（93～99.5）：（0.5～2）：（0～5）的摩尔比共混加入到聚合反应器中，上述物质的摩尔比的总份数为100，以二甲基亚砜为溶剂，反应温度控制在50～75℃，聚合反应10～40小时，得到丙烯腈共聚物纺丝原液；

(2)纺丝原液的凝固成型