高強度粘膠碳纖維的製備方法

2023-06-27 22:46:36

專利名稱：高強度粘膠碳纖維的製備方法
技術領域：
本發明涉及可應用於高技術燒蝕材料、特殊電磁功能性碳纖維、生物相容性複合材料、生物相容性的活性炭纖維和活性炭布等領域的高強度粘膠碳纖維的製備方法。
在現有粘膠碳纖維的製備方法中，如未經過超高溫石墨化過程，所得的碳纖維的抗拉強度較低，一般為1.2GPa左右，這限制了其在一般結構性複合材料中的應用。
本發明的目的在於提供一種可以將粘膠碳纖維的抗拉強度大大提高，可以擴大其應用領域的高強度粘膠碳纖維的製備方法。
該方法包括以下步驟①原料預處理(酸洗、水洗、乾燥)；②催化劑溶液浸漬；③100-280℃低溫空氣預氧化；④300-1000℃中溫炭化；⑤在1300℃高溫炭化。其特徵在於催化劑溶液的組成為5-30％的混合胺類和0.1-2.0％非離子表面活性劑的水溶液，浸漬時間為0.5-4分鐘。
所述的混合胺催化劑包括氯化銨、二乙撐三胺、乙二胺、六亞甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基對苯二胺等類化合物中的一種至數種。
所述非離子表面活性劑包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一種至數種。
空氣預氧化爐分為2到3個溫區，最高溫度為280℃。上述的催化劑溶液漬和空氣預氧化為一串聯的連續過程。這樣得到的纖維為深褐色柔軟而鬆散的預氧絲。上述的預氧絲進入炭化處理過程。炭化分為中溫炭化和高溫炭化，中溫炭化分為3到4個溫區，其最高溫度分別為1000℃；高溫炭化溫度為1300℃。每一步炭化過程均通有流動的氮氣並採用嚴格的氮氣氣封。
如在預氧化中期通過塗層，在纖維表面引入有機聚合物先驅體，如聚碳矽烷的甲苯溶液，經預氧化和中溫、高溫炭化後最終可得到具有特殊電磁功能性的複合塗層碳纖維。
本發明既能使粘膠纖維在較低的溫度下生成預氧絲，又能使纖維在隨後的高溫炭化處理過程中始終保持柔軟和鬆散。經此法製備的粘膠碳纖維柔軟，黑亮，含碳量約為95％，不引入任何金屬雜質，抗拉強度為1.6-1.8GPa，纖維平均直徑為4-7μm，密度為1.55-1.60g/cm3。纖維的各項性能穩定，工藝重複性好。
實施例1以氯化胺和乙二胺(1∶0.5)作為混合胺；以OP和聚乙二醇(1∶1)作為表面活性劑配製成混合催化劑水溶液。胺類總濃度為20％；表面活性劑總濃度為0.2％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經酸洗去膠乾燥，進入上述催化劑溶液浸漬0.5分鐘，空氣預氧化爐溫區分別為100℃和260℃，得到預氧絲。上述的預氧絲進入中溫炭化處理過程，溫區分別為350℃,600℃,1000℃。隨後在1300℃進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.6GPa，平均直徑為5.1μm。
實施例2以碘化胺和二乙撐三胺(1∶0.3)作為混合胺；以OP和TX-100(1∶1)作為表面活性劑配製成混合催化劑水溶液。胺類總濃度為5％；表面活性劑總濃度為1％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經酸洗去膠乾燥，然後在步進電機牽引下，進入上述催化劑溶液浸漬2分鐘。經空氣預氧化爐(溫區分別為100℃和170℃)得到預氧絲。上述的預氧絲進入炭化處理過程。在溫區分別為300℃,450℃,600℃,1000℃進行中溫炭化；在1300℃進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.8GPa，平均直徑為6.1μm。
實施例3以28％N,N-二甲基對苯二胺水溶液和OP和TX-100(1∶1)表面活性劑配製成混合催化劑水溶液。表面活性劑總濃度為1.8％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經酸洗去膠乾燥，連續進入上述催化劑溶液浸漬4分鐘。進入溫區分別為100℃,160℃,230℃的空氣預氧化爐進行預氧化，得到預氧絲。在溫區分別300℃,450℃,1000℃的中溫炭化爐進行炭化，在1300℃下進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.6GPa，平均直徑為4.5μm。
實施例4以10％吡啶和2％六亞甲基四胺的水溶液和聚乙烯醇和TX-100(1∶1)表面活性劑配製成混合催化劑水溶液。表面活性劑總濃度為0.8％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經酸洗去膠乾燥，連續進入上述催化劑溶液浸漬4分鐘，經150℃空氣預氧化後，連續進入聚碳矽烷的甲苯溶液槽，乾燥後，每根纖維表面均勻塗上一層聚碳矽烷。隨後繼續進入200℃和260℃預氧化，得到塗層的預氧絲。連續通過管式炭化爐(溫區分別300℃、450℃、1000℃)進行中溫炭化，在1300℃高溫炭化。得到柔軟黑亮的碳化矽塗層的粘膠碳纖維。此碳纖維含有5％的碳化矽和少量氧化矽，分布在纖維表面並梯度狀地滲入到纖維內部。纖維的抗拉強度為1.5GPa，平均直徑為6.5μm，電阻率從未經過聚碳矽烷處理的10-4ΩM增大為10-2ΩM，並顯示出良好的微波(X-波段)吸收性能。
權利要求
1.高強度粘膠碳纖維的製備方法，包括以下步驟①原料預處理(酸洗、水洗、乾燥)；②催化劑溶液浸漬；③100-280℃低溫空氣預氧化；④300-1000℃中溫炭化；⑤在1300℃高溫炭化，其特徵在於催化劑溶液的組成為5-30％的混合胺類和0.1-2.0％非離子表面活性劑的水溶液，浸漬時間為0.5-4分鐘。
2.根據權利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的製備方法，其特徵在於所述的混合胺催化劑包括氯化銨、二乙撐三胺、乙二胺、六亞甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基對苯二胺等類化合物中的一種至數種。
3.根據權利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的製備方法，其特徵在於所述非離子表面活性劑包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一種至數種。
4.根據權利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的製備方法，其特徵在於在預氧化中期通過塗層，在纖維表面引入有機聚合物先驅體。
全文摘要
本發明公開了高強度粘膠碳纖維的製備方法。以粘膠纖維為原料，通過一種混合胺類催化劑溶液處理後，進行纖維的低溫空氣預氧化，然後逐步高溫炭化。經此法製備的粘膠碳纖維柔軟，黑亮，含碳量約為95%，不引入任何金屬雜質，纖維的抗拉強度為1.6－1.8GPa，平均直徑為4－7μm，密度為1.55－1.60g/cm
文檔編號C01B31/00GK1316555SQ00113268
公開日2001年10月10日 申請日期2000年2月2日 優先權日2000年2月2日
發明者李效東, 彭平, 王戈, 廖傑, 劉秀英, 何迎春, 毛曉婭 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學