[发明专利]具有高机械性能的碳纤维的制造

说明书

一种制造碳纤维的方法，包括以下步骤：(a)在密封容器中熔化沥青质固体；(b)将熔化的沥青质纺丝以制造生纤维；(c)稳定所述生纤维；(d)使稳定的生纤维碳化；以及(e)任选地使碳化纤维石墨化。

技术领域

本发明涉及一种制造碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维(CF或石墨纤维)是线或长丝状碳质材料，具有的直径通常为约5-10μm，并且主要由至少50wt.％的碳原子构成。碳纤维因其包括高刚度、高拉伸强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀在内的许多优点而广泛用于航空航天、土木工程、军事、赛车运动和体育用品。

碳纤维通常使用两种主要方法通过使用聚丙烯腈(PAN)或从沥青生产。沥青是碳基材料诸如植物、原油和煤的蒸馏的产物。沥青是各向同性的，但可以通过热处理使其各向异性。然而，碳纤维生产中最重要的材料是中间相沥青，因为能够对各向异性中间相沥青进行熔体纺丝而没有长丝断裂。中间相沥青形成热致晶体，这使得沥青在不使用张力下变得有组织并形成直链。

通过将各向同性沥青聚合成更高的分子量来制造中间相沥青。相对于PAN碳纤维，生产沥青基碳纤维的优点是沥青碳纤维在所有加工阶段不需要纤维上的恒定张力。

已发现沥青基碳纤维在其晶体结构中更呈片状，与更粒状的PAN基碳纤维相反。从沥青生产碳纤维有六个主要步骤：1)熔体纺丝，2)氧化，3)碳化，4)石墨化，5)表面处理和6)上浆。

熔体纺丝是通过熔体的快速冷却来形成纤维的方法。由于快的冷却速率，中间相沥青能够变得高度定向。中间相沥青可以进行熔体纺丝，但由于其流动特性，该工艺可能难以可靠地进行。中间相沥青的粘度比其他熔体纺丝材料对温度更敏感。因此，在生产沥青基纤维期间，必须仔细控制温度和传热速率。

氧化用于将分子交联到纤维不熔化或熔合在一起的点。其通常在约200℃至约400℃在空气中进行若干小时。该步骤极其重要，因为它产生在碳化和石墨化的高温下稳定的纤维。没有交联，纤维将无法进行这些工艺步骤。

碳化通过在惰性无氧气氛中将纤维加热至高温，通常约1000℃至约2000℃来实现。该步骤从纤维中去除大部分杂质(例如氢、氧、氮)，在大多数六角形环中主要留下结晶碳。

石墨化是在高温下处理纤维以改善结晶区沿主纤维轴线的对齐和定向的工艺。使结晶区沿主纤维轴线对齐、堆叠和定向增加了碳纤维的整体强度和刚度。为了获得具有较高模量和较高碳含量的碳纤维，在最高达3000℃的较高温度下进行石墨化。

表面处理可应用于改善碳纤维对用于制造复合材料的粘合基质的粘附性。并且最后，碳纤维上浆涉及用聚合物涂覆表面处理的碳纤维，以防止单根长丝断裂，改善极细碳长丝的处理，并提供与模制工艺的兼容性。

碳纤维的高强度可归因于上述六个主要工艺。高结晶区水平使纤维承受大的应力。这些结晶区是通过熔体纺丝工艺形成的；晶体是在施加外部应力时不易变形的坚硬区域。

沥青质是与树脂、芳烃和饱和物一起存在于碳质材料诸如沥青或原油或煤中的分子物质。沥青质具有复杂的分子结构，包括被脂肪链和杂原子包围的芳族多环结构，通常不溶于轻质正烷烃(如正戊烷nC₅或正庚烷nC₇)，但可溶于芳族溶剂如甲苯。发现它们的分子量通常在400u至1500u的范围内，尽管由于溶液中分子的聚集而难以确定平均值和最大值。沥青质主要由碳、氢、氮、氧和硫以及痕量的钒、镍和铁组成。C:H比率为约1:1.2，取决于沥青质来源。

沥青质是碳纤维的沥青基前体中的主要组分。例如，沥青质占总Ashland 260石油沥青的超过80wt％，Ashland 260是用于碳纤维的高级沥青前体的品牌名称。