[发明专利]一种低表面缺陷碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明拉伸强度和复合材料加工技术领域，尤其是涉及一种低表面缺陷碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温等优异性能，复合材料由于其可设计性，在结构和功能上可满足客户的多样化需求。因此碳纤维复合材料具有轻质、高强、高刚性、耐腐蚀、可设计、整体成型等特点，在航空航天、能源电力、交通运输、汽车、土木建筑、海洋工程、高档体育运动等领域广泛应用。

碳纤维是脆性材料，拉伸强度受缺陷控制，缺陷越少，缺陷尺寸越小，碳纤维的拉伸强度越高。碳纤维缺陷包括内部缺陷和表面缺陷，同等尺寸的缺陷，表面缺陷对拉伸强度的影响大于内部缺陷，内部缺陷主要是内部孔洞，由扩散不均产生的皮芯和预氧化不足或过度导致的碳化烧损引起的；表面缺陷主要是表面沟槽以及划痕等，在承受拉伸应力时，纤维表面的沟槽处产生应力集中，成为断裂源，因此表面光滑的碳纤维更容易获得高的拉伸性能。

在湿纺纺丝工艺中，由于出口膨胀效应，纺丝液细流经喷丝板喷出后，直径急剧增大，膨胀体进入凝固浴后，形成致密、坚硬的皮层。在随后的轴向牵伸作用下，纤维细旦化，皮层发生塌陷、褶皱，表现为表面的沟槽。原丝表面的沟槽在预氧化和碳化过程中“遗传”给碳纤维。在干喷湿纺工艺中，聚合物细流在空气段实现细旦化，进入凝固浴后，纤维进行双向扩散，两相分离，丝束凝固成型，纤维表面光滑，无明显沟槽，因此光滑表面的原丝是制备低表面缺陷碳纤维的重要条件。

聚丙烯腈原丝在预氧化过程中发生环化反应，致密的皮层影响氧向纤维芯部的扩散，形成“皮芯”结构。干喷湿纺原丝与湿纺原丝相比表面光滑，比表面积小，更容易形成“皮芯”结构。干喷湿纺聚丙烯腈原丝表面光滑，丝束间单丝容易积聚，不利于预氧化过程中的散热，造成丝束内局部过热。

发明内容

为克服上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种低表面缺陷碳纤维的制备方法，驱体采用的是干喷湿纺聚丙烯腈原丝，包括：

（1）预氧化阶段：原料聚丙烯腈原丝在180~300℃的条件下在预氧化炉中进行预氧化反应，采用梯度预氧化温度设置，温区数量在2~30个之间，预氧化反应时间为30~80min，牵伸率为-20~10%，牵伸量为-20~10%，聚丙烯腈丝束张力为5~30N之间；

（2）预碳化阶段：预氧化的聚丙烯腈丝束发生热解反应，分子链上的O以CO、CO2、H2O等小分子形式脱除，分子链末端为环化的-CN以低聚物形式脱除，纤维发生约45%的失重；在此阶段，纤维结构由梯形结构转变为网状结构，发生收缩，纤维结构转变，此时预碳化时间为45~180S，牵伸量为-10~10%，丝束张力为5~20N之间；

（3）碳化阶段：将步骤（2）中预碳化聚丙烯腈丝束，即纤维，置于在1000~1400℃的条件下，采用梯度升温方式，分子链上残留的N部分以NH3等脱除，纤维结构由网状结构转变为乱层石墨结构，碳化时间为45~180S，牵伸量为-10~0%，张力为10~50N之间；

（4）碳化阶段获得的纤维经过表面处理、上浆、干燥、卷绕制得碳纤维成品。

所述干喷湿纺聚丙烯腈原丝，纤度为0.9~1.2dtex，一束为12000根单丝，原丝表面光滑、无明显沟槽。

优选地，所述预氧化反应温度为200~270℃。

优选地，所述预氧化反应时间为30~50min。

优选地，所述牵伸量为-20~-10%，丝束张力为10~20N。

优选地，所述牵伸量为-5~5%，丝束张力为5~15N。

优选地，所述碳化反应时间为60~90S。

所述步骤中所制得的碳纤维截面为标准圆形。

所述碳纤维含碳量94%以上，碳纤维直径6~8μm。

所述碳纤维拉伸强度4.9GPa以上，拉伸模量225~240GPa，断裂延伸率2.0%以上。

本发明的优点是：通过优化预氧化、碳化过程中组织结构转变，有效避免纤维在牵伸时被拉断，提高产品的质量和强度。

具体实施方式

一种低表面缺陷碳纤维的制备方法，驱体采用的是干喷湿纺聚丙烯腈原丝，包括：

（1）预氧化阶段：原料聚丙烯腈原丝在180~300℃的条件下在预氧化炉中进行预氧化反应，采用梯度预氧化温度设置，温区数量在2~30个之间，预氧化反应时间为30~80min，牵伸率为-20~10%，牵伸量为-20~10%，聚丙烯腈丝束张力为5~30N之间；