[发明专利]一种高强中模碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种高强中模碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维不仅是尖端国防工业无可替代的战略基础材料，也是民用工业更新换代的新型材料。由于碳纤维具有轻质、高强、高模、导热、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、低膨胀等综合优异性能，是理想的耐烧蚀功能复合材料和结构复合材料的组元。碳纤维在卫星、运载火箭、宇宙飞船、民用飞机等航空航天高技术尖端领域发挥着越来越重要的作用。近年来，高速轨道交通、深海油田、新型能源、建筑等产业也开始大量应用碳纤维。

为了制备出高拉伸强度的碳纤维，良好的原丝工艺是必不可少的。良好的纺丝工艺通过匹配纺丝过程中凝固浴的温度、浓度，各牵伸段的牵伸拉伸强度以及干燥温度，较好的消除了原丝中的孔洞，提高原丝的致密程度、原丝取向度和原丝拉伸强度。只有这种拉伸强度适中、结构致密的原丝才能碳化出高拉伸强度的碳纤维。张国良等提出了一种高强聚丙烯腈基原丝的制备方法(申请号：CN200910234654.X)。该方法通过5级凝固后，得到了拉伸强度达到10.2cN/dtex的原丝。虽然该发明能提高原丝的单丝拉伸强度，但是这种拉伸强度的提高一般是通过过度牵伸实现的，因此会造成原丝的一些缺陷，在碳化过程中不利于实现碳纤维性能的进一步提高。薛祖彪等提出一种聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺(申请号：CN200910185529.4)。该方法根据原丝力学性能、截面形态结构和孔洞分析挑选聚丙烯腈原丝，然后进行碳化，得到拉伸强度大于4.92GPa的碳纤维。这种方法虽然能够制备出拉伸强度较好的碳纤维，但是其原丝的质量明显参差不齐，既不适用于大规模的生产，也不利于经济效益的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强中模碳纤维的制备方法。该方法具有原料简单，聚合液性能稳定，原丝品质高的优点。利用该方法制备的碳纤维的拉伸强度高达5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量高达298GPa～301GPa，属于高强中模范畴，具有广泛的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液；所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的固含量为18.5％～23.4％，粘度为80Pa·s～96Pa·s；

步骤二、利用喷丝板对步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液进行纺丝，凝固后得到丝束；

步骤三、对步骤二中所述丝束进行水洗处理；

步骤四、将步骤三中水洗处理后的丝束进行两段热水牵伸；

步骤五、将步骤四中两段热水牵伸后的丝束依次进行一次上油、低温干燥、二次上油和高温干燥处理；所述低温干燥的温度为80℃～95℃，所述高温干燥的温度为125℃～145℃；

步骤六、将步骤五中高温干燥处理后的丝束在蒸汽压力为0.2MPa～0.35MPa，牵伸倍率为1.5～3.0的条件下进行蒸汽牵伸处理，然后将蒸汽牵伸处理后的丝束在蒸汽压力为0.1MPa～0.2MPa，牵伸倍率为0.95～0.98的条件下进行蒸汽定型处理，之后将蒸汽定型处理后的丝束进行收卷，得到原丝；

步骤七、将步骤六中所述原丝先在温度为180℃～260℃，牵伸倍率为0.975～1.04的条件下进行预氧化处理，再在温度为450℃，牵伸倍率为1.00～1.03的条件下进行低温碳化处理，然后在温度为1350℃，牵伸倍率为0.96～0.964的条件下进行高温碳化处理，最终得到拉伸强度为5.5GPa～5.8GPa，拉伸模量为298GPa～301GPa的高强中模碳纤维。

上述的一种高强中模碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中所述丙烯腈-衣康酸二元共聚物纺丝原液的制备过程为：

步骤101、称取以下各种原料：

单体：丙烯腈和衣康酸的混合物；所述单体中丙烯腈的质量百分含量为97％～99％，余量为衣康酸；

引发剂：偶氮二异丁腈；所述偶氮二异丁腈的质量为所述单体质量的0.4％～0.8％；

溶剂：二甲基亚砜；所述二甲基亚砜的质量为所述单体质量的3.0～4.5倍；

步骤102、将步骤101中所称取的各种原料加入聚合反应釜中搅拌均匀，得到混合料，然后向聚合反应釜中通入氮气，直至将聚合反应釜内的空气排除干净，之后在持续搅拌的条件下，将混合料升温至58℃～63℃后保温18h～24h进行聚合反应，得到聚合液；