[发明专利]高含碳量碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的制备方法，特别是一种聚丙烯腈利用静电纺丝，紫外辐照接枝后通过预氧化碳化工艺制备高含碳量碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维是由人造或合成纤维经过预氧化碳化转化成含碳量在90%以上的无机碳纤维[1] 。(JB唐纳特，RC班萨尔.炭纤维[M].北京：科学出版社，1989.1)碳纤维通常通过高分子有机纤维的固相炭化或低分子烃类的气相生长法来制得的。有机纤维包括有粘胶、聚丙烯腈基及聚酰亚胺等，主要是以聚丙烯腈基为主。随着我国工业、国防、军事的不断发展，碳纤维以及碳纤维的复合材料以其质轻、综合性能优良，作为钢铁等金属的替代品，正在被越来越广泛地运用到化工、机电、造船、医药、运动器械、交通运输、采矿、建筑业等许多领域中。

碳元素含量的变化会直接影响到碳纤维化学结构的变化，比如原子脱除后留下的空位，化学键的变化以及碳骨架结构的重组等，从而对碳纤维的性能产生影响。(张新.PAN基碳纤维微结构特征的研究.北京化工大学.硕士论文，2008.) 

高含碳量的碳纤维，因其具有更好的机械性能、耐热性能以及更好的导电性能而倍受关注。为此科学家们用不同的方法和手段实现碳纤维含碳量的提高。

韩笑将煤沥青在1000℃高温处理制备高含碳量碳纤维，其含碳量可以达到96.56%。（韩笑. 煤沥青基碳纤维的制备与表征.安徽理工大学硕士论文.2011）

刘剑洪等采用自由基聚合方法制备液态聚丙烯腈低聚物，通过热氧化处理得到高碳含量的具有环状结构的聚丙烯腈，配制成上浆剂。将聚丙烯腈低聚物液体上浆剂单独或混合之后浸渍碳纤维(碳化丝), 一定温度、气氛等工艺条件下进行热处理, 得到碳含量较高的高性能碳纤维。（ [P]. 中国专利: CN102212965A，2010）

张晓东等将聚丙烯腈预氧化原丝高温碳化到1350℃，采用VARIO Micro cube元素分析仪用动态燃烧法测得到碳纤维的含碳量为94%。(张晓东等. 高温碳化温度对碳纤维性能的影响. 创新驱动; 加快战略性新兴产业发展——吉林省第七届科学技术学术年会论文集.2012)

张玉军等将聚酰亚胺前驱体高温处理到1000℃，用FEI Sirion200型场发射扫描电子显微镜测试含碳量，得到96.16%含碳量的碳纤维。(张玉军等. 超细碳纤维毡的制备及其形貌研究.[J] 化学与黏合.2009，31：25~28)

贺福等通过高温炭化炉制备了92%含碳量的聚丙烯腈基碳纤维，并研究了炭化炉对碳纤维成型的影响。（贺福等. 生产碳纤维的关键设备--碳化炉. [J]高科技纤维与应用，2006，31：16~24）

郝嘉训等通过碳硫自动分析仪测试了T300碳纤维的含碳量，发现其平均值为92.55%。(郝嘉训等. 碳纤维中碳的分析. 冶金分析，1995，15：59~60)

张新等将购买到的日本东丽碳纤维成品用VAEIO EL 111型元素分析仪来表征其碳含量，结果发现M40J碳纤维的含碳量最高为99.57%，纤维的致密性更好，模量与强度较大。(张新.PAN基碳纤维微结构特征的研究.北京化工大学.硕士论文，2008.)

现有的研究中，人们较多地通过提高原丝质量、 改进预氧化和碳化工艺等以期减少结构缺陷的形成。提高碳纤维碳含量，改善其性能。

静电纺丝技术是聚合物溶液或熔体在静电场作用下喷射、拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法。该方法早在20世纪初就已出现。这种纺丝技术具有很多独有的特性，它适用的材料十分广泛，许多聚合物溶液和熔体都可使用。这一纺丝技术已成为应用于开发超细纳米纤维的热点，并开拓了纳米纤维的潜在应用。用静电纺丝技术生产的纳米产品可应用于过滤、阻隔、分离、生物医用材料和服装材料等。采用静电纺丝方法还可将各种离散的纳米物质(碳纳米管、陶瓷粉等)纺制成连续性纤维，获得性能优异的功能性材料。(Ko.F et al. Electrospinning of continuous carbon nantube-filled nanofiber yarns[J]. Advanced Materials， 2003， 15：1161~1165)