一種石墨纖維及其製備方法
2023-06-04 04:18:16 1
專利名稱：一種石墨纖維及其製備方法
技術領域：
本發明涉及石墨纖維及其製備方法，所述的石墨纖維是一種高模量，高強度的碳纖維。
背景技術：
碳纖維力學性能優異，化學穩定性較高，被認為是一種十分優良的增強材料。高模量碳纖維(又稱石墨纖維)，是碳纖維中的一個重要品種。石墨纖維在國防建設和國民經濟中有著廣泛的用途。對於太空飛行器材料來說，人們對結構材料性能的要求就集中於高模量、高強度、熱膨脹係數小、耐高溫和低密等方面，為此高模和高強炭(石墨)纖維就成為製造宇宙飛船、航天飛行器、衛星、軍用飛機及各種高品位民用產品的軍民兩用複合材料不可缺少的原料之一。聚丙烯腈原絲，經過預氧化加工過程，經過低溫碳化過程，經過高溫碳化過程，經過石墨化過程，可以生產出表面光滑規整的高模量高強度石墨纖維。通常為了增加石墨纖維複合材料的層剪切強度，要對石墨纖維進行表面處理，通常使用陽極氧化法。該方法需要讓石墨纖維經過電解槽。規模生產的電解槽中通常含有較多的浮塵和雜質，會吸附在石墨纖維表面，對石墨纖維造成汙染，即使通過水洗，也無法確保石墨纖維表面的清潔，影響了石墨纖維製備成複合材料後的性能。因此，研究一種不汙染石墨纖維，且能夠將石墨纖維表面的憎液性轉變為親液性的方法是本領域技術人員一直渴望解決，但迄今尚未解決的技術難題。
發明內容
本發明目的在於提供一種具有高模量，高強度的石墨纖維。本發明的另一目的在於提供能夠將石墨纖維表面的憎液性轉變為親液性，且不汙染石墨纖維，更高的提高石墨纖維和樹脂基體的親和性的石墨纖維製備方法。為實現上述目的是，一種石墨纖維，其特徵是由聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維。為實現上述另一目的是，一種石墨纖維的製備方法，其特徵是將聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維；所述的預氧化過程是，在180 300°C，在空氣中以O. 7 3. 5拉伸比，邊拉伸邊進行預氧化；所述的低溫碳化過程是，在300 800°C，在惰性氣體中以O. 5 2拉伸比，邊拉伸邊進行低溫碳化；所述的表面塗飾過程是，在10 110°C，在霧狀氣體或液體中，以O. 9 I. 5拉伸比，進行表面塗飾；所述的霧狀氣體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、O. 01%-10%硫酸、O. 01%-10%磷酸、含磷元素O. 01%-10%的物質或溶液，含矽元素O. 01%-10%的物質或溶液、含硼元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鈣元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鉀元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鈉元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鎂元素O. 01%-10%的物質或溶液、含丙烯酸類物質O. 01%-10%的物質或溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質或溶液中的任意一種；所述的液體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、濃度為O. 01%-10%的硫酸、濃度為O. 01%-10%的磷酸、含磷元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含矽元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含硼元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈣元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鉀元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈉元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鎂元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含丙烯酸類物質濃度為0.01%-10%的溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質濃度為O. 01%-10%的溶液中的任意一種；所述的高溫碳化過程是，在800 1800°C，在惰性氣體中以O. 8 I. 5拉伸比，邊拉伸邊進行高溫碳化；所述的二次塗飾過程是，在10 110°C，在在霧狀氣體中，或在液體中，以O. 8 I. 2拉伸比，進行表面塗飾；所述的石墨化過程是，在1500 3000°C，在惰性氣體中以O. 8 I. I拉伸比，邊拉伸邊進行石墨化過程。所述的含磷元素的物質是三氯氧磷或二氯磷酸酐。所述的含矽元素的物質是矽酸、氨基矽油、矽酸鈉、矽油、二甲基矽油中的任意一種。
所述的含硼元素的物質是硼酸、四硼酸鈉、硼酐中的任意一種。所述的含鈣元素的物質是氯化鈣、氧化鈣、碳酸鈣、醋酸鈣中的任意一種。所述的含鉀元素的物質是氯化鉀、硫酸鉀、苛性鉀、磷酸鉀中的任意一種。所述的含鈉元素的物質是氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、苛性鈉、磷酸鈉、矽酸鈉、硫酸鈉中的任意一種。所述的含鎂元素的物質是氯化鎂、碳酸鎂、硫酸鎂中的任意一種。所述的含丙烯酸類的物質是丙烯酸、丙烯酸鋅、丙烯酸鈉、丙烯酸鉀、丙烯酸鎂中的任意一種。所述的含乙烯基類的物質是聚乙烯醇或聚乙二醇。本發明的一種石墨纖維製備方法，其優點是不經過電解槽表面處理，提高石墨纖維的親液性，減少了電解槽和水洗槽的設備投入，避免了石墨纖維的表面汙染，提高了石墨纖維與樹脂基體的親和性，有助於製備出高性能的石墨纖維。本發明的石墨纖維是一種高模量，高強度碳纖維。
具體實施例方式一種石墨纖維由聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維。石墨纖維的製備方法是將聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維；所述的預氧化過程是，在180 300°C，在空氣中以O. 7 3. 5拉伸比，邊拉伸邊進行預氧化；所述的低溫碳化過程是，在300 800°C，在惰性氣體中以O. 5 2拉伸比，邊拉伸邊進行低溫碳化；所述的表面塗飾過程是，在10 110°C，在霧狀氣體或液體中，以O. 9 I. 5拉伸比，進行表面塗飾；所述的霧狀氣體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、O. 01%-10%硫酸、O. 01%-10%磷酸、含磷元素O. 01%-10%的物質或溶液，含矽元素O. 01%-10%的物質或溶液、含硼元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鈣元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鉀元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鈉元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鎂元素O. 01%-10%的物質或溶液、含丙烯酸類物質0.01%-10%的物質或溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質或溶液中的任意一種；所述的液體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、濃度為O. 01%-10%的硫酸、濃度為O. 01%-10%的磷酸、含磷元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含矽元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含硼元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈣元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鉀元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈉元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鎂元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含丙烯酸類物質濃度為O. 01%-10%的溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質濃度為0.01%-10%的溶液中的任意一種；所述的高溫碳化過程是，在800 1800°C，在惰性氣體中以O. 8 I. 5拉伸比，邊拉伸邊進行高溫碳化；所述的二次塗飾過程是,在10 110°C，在在霧狀氣體中，或在液體中，以O. 8 I. 2拉伸比，進行表面塗飾；所述的石墨化過程是，在1500 3000°C，在惰性氣體中以O. 8 I. I拉伸比，邊拉伸邊進行石墨化過程。所述的含磷元素的物質是三氯氧磷或二氯磷酸酐。所述的含矽元素的物質是矽酸、氨基矽油、矽酸鈉、矽油、二甲基矽油中的任意一種。
所述的含硼元素的物質是硼酸、四硼酸鈉、硼酐中的任意一種。 所述的含鈣元素的物質是氯化鈣、氧化鈣、碳酸鈣、醋酸鈣中的任意一種。所述的含鉀元素的物質是氯化鉀、硫酸鉀、苛性鉀、磷酸鉀中的任意一種。所述的含鈉元素的物質是氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、苛性鈉、磷酸鈉、矽酸鈉、硫酸鈉中的任意一種。所述的含鎂元素的物質是氯化鎂、碳酸鎂、硫酸鎂中的任意一種。所述的含丙烯酸類的物質是丙烯酸、丙烯酸鋅、丙烯酸鈉、丙烯酸鉀、丙烯酸鎂中的任意一種。所述的含乙烯基類的物質是聚乙烯醇或聚乙二醇。本發明所用原料易得，均為市售產品。實施例I :
步驟1，本發明的原絲經過180 300°C，在空氣中以O. 7 3. 5拉伸比，經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過300 800°C，在惰性氣體中以O. 5 2拉伸比，經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維；
步驟2，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，表面塗飾過程採用水的霧
氣;
步驟3，將塗飾纖維經過800 1800°C，在惰性氣體中以O. 8 I. 5拉伸比，經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維；
步驟4，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，二次表面塗飾採用濃度為1%的氯化鈉水溶液；
步驟5，將二次塗飾纖維經過1500 3000°C，在惰性氣體中以O. 8 I. I拉伸比，經過石墨化過程成為高性能石墨纖維。實施例2
步驟1，同實施例I中步驟I;
步驟2，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，表面塗飾過程採用濃度為O. 5%硫酸水溶液；
步驟3，同實施例I中步驟3 ;
步驟4，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，二次表面塗飾採用濃度O. 8%聚乙烯醇水溶液；
步驟5，同實施例I中步驟5。實施例3
步驟1，同實施例I中步驟I;
步驟2，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，表面塗飾過程採用濃度3%氯化鈣水溶液；
步驟3，同實施例I中步驟3 ;
步驟4，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，二次表面塗飾採用純淨空氣；
步驟5，同實施例I中步驟5。實施例4:
步驟1，同實施例I中步驟I;
步驟2，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，表面塗飾過程採用濃度
2.8%鹽酸水溶液；
步驟3，同實施例I中步驟3;
步驟4，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，二次表面塗飾採用濃度5%硼砂水溶液；
步驟5，同實施例I中步驟5。實施例5
步驟1，同實施例I中步驟I;
步驟2，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，表面塗飾過程採用濃度2%丙烯酸鈉水溶液；
步驟3，同實施例I中步驟3 ;
步驟4，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，二次表面塗飾採用濃度1%硼酸水溶液；
步驟5，同實施例I中步驟5。
權利要求
1.一種石墨纖維，其特徵是由聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維。
2.—種石墨纖維的製備方法，其特徵是將聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維；所述的預氧化過程是，在180 300°C，在空氣中以O. 7 3. 5拉伸比，邊拉伸邊進行預氧化；所述的低溫碳化過程是，在300 800°C，在惰性氣體中以O. 5 2拉伸比，邊拉伸邊進行低溫碳化；所述的表面塗飾過程是，在10 110°C，在霧狀氣體或液體中，以O. 9 I. 5 拉伸比，進行表面塗飾；所述的霧狀氣體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、O. 01%-10%硫酸、O.01%-10%磷酸、含磷元素O. 01%-10%的物質或溶液，含矽元素O. 01%-10%的物質或溶液、含硼元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鈣元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鉀元素O. 01%-10% 的物質或溶液、含鈉元素O. 01%-10%的物質或溶液、含鎂元素O. 01%-10%的物質或溶液、 含丙烯酸類物質O. 01%-10%的物質或溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質或溶液中的任意一種；所述的液體是水、濃度為O. 01%-10%的鹽酸、濃度為O. 01%-10%的硫酸、濃度為O.01%-10%的磷酸、含磷元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含矽元素濃度為O. 01%-10% 的物質的溶液、含硼元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈣元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鉀元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鈉元素濃度為O. 01%-10%的物質的溶液、含鎂元素濃度為0.01%-10%的物質的溶液、含丙烯酸類物質濃度為O. 01%-10%的溶液、含乙烯基類水溶性高聚物類物質濃度為O. 01%-10%的溶液中的任意一種；所述的高溫碳化過程是，在800 1800°C，在惰性氣體中以O. 8 I. 5拉伸比，邊拉伸邊進行高溫碳化； 所述的二次塗飾過程是，在10 110°c，在在霧狀氣體中，或在液體中，以O. 8 I. 2拉伸比，進行表面塗飾；所述的石墨化過程是，在1500 3000°C，在惰性氣體中以O. 8 I. I拉伸比，邊拉伸邊進行石墨化過程。
3.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含磷元素的物質是三氯氧磷或二氯磷酸酐。
4.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含矽元素的物質是矽酸、氨基矽油、矽酸鈉、矽油、二甲基矽油中的任意一種。
5.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含硼元素的物質是硼酸、 四硼酸鈉、硼酐中的任意一種。
6.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含鈣元素的物質是氯化鈣、氧化鈣、碳酸鈣、醋酸鈣中的任意一種。
7.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含鉀元素的物質是氯化鉀、硫酸鉀、苛性鉀、磷酸鉀中的任意一種。
8.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含鈉元素的物質是氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、苛性鈉、磷酸鈉、矽酸鈉、硫酸鈉中的任意一種。
9.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含鎂元素的物質是氯化鎂、碳酸鎂、硫酸鎂中的任意一種。
10.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含丙烯酸類的物質是丙烯酸、丙烯酸鋅、丙烯酸鈉、丙烯酸鉀、丙烯酸鎂中的任意一種。
11.根據權利要求I一種石墨纖維的製備方法，其特徵是所述的含乙烯基類的物質是聚乙烯醇或聚乙二醇。
全文摘要
本發明是一種石墨纖維及其製備方法，其製備方法的特徵是，聚丙烯腈原絲經過預氧化過程成為預氧化纖維，將預氧化纖維經過低溫碳化過程成為低溫碳化纖維，將低溫碳化纖維經過表面塗飾過程成為塗飾纖維，將塗飾纖維經過高溫碳化過程成為高溫碳化纖維，將高溫碳化纖維經過二次塗飾過程成為二次塗飾纖維，將二次塗飾纖維經過石墨化過程成為高性能石墨纖維。其優點是，不經過電解槽表面處理，提高石墨纖維的親液性，減少了電解槽和水洗槽的設備投入，避免了石墨纖維的表面汙染，提高了石墨纖維與樹脂基體的親和性，有助於製備出高性能、高模量和高強度的石墨纖維。
文檔編號D01F9/22GK102978747SQ201210565589
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月23日 優先權日2012年12月23日
發明者黃濤, 劉延軍, 鄒海威, 李俊鋒 申請人:中鋼集團吉林炭素股份有限公司