CN101649508A - 一种高强度碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：将碳纳米管0.01－2重量份与溶剂100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率300w－600w超声1.5－3小时；第二步：在第一步得到的混合溶液中加入高分子增稠剂0.01－5重量份，用超声波细胞粉碎机以功率300w－600w超声1－2h；第三步：在预氧化后的纺丝用纤维上用第二步得到的混合溶液形成厚度为100nm－300nm的涂层，然后经过碳化得到高强度碳纤维。本发明可使碳纤维的拉伸强度提高15％－30％，韧性提高30％。

Description

一种高强度碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度碳纤维的制备方法，属于碳纤维加工技术领域。
背景技术
碳纤维(或石墨纤维)在加工生产中，特别是以聚丙烯腈原丝为原料而加工生产的碳纤维，由于原丝本身的缺陷以及加工过程中均匀性原因造成表面孔洞的形成，这些孔洞造成纤维受力时的应力集中现象，亦是单丝断裂的主要因素。对这些表面孔洞的修复一直是碳纤维生产领域内十分关注的问题，但至今没有很好的办法，所以目前只能牺牲已有孔洞的单丝，从而造成碳纤维整体力学性能指标的明显下降。
中国专利02121070.5，利用聚焦电磁场感应加热，制造了一个乙炔反应环境，使乙炔在高温碳纤维附近裂解为氢气和碳原子。碳原子沉积在碳纤维表面，达到修复缺陷增强碳纤维的目的。但是该方法设备及其复杂，成本较高，操作不方便，而且效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、成本低、效率高的高强度碳纤维的制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将碳纳米管0.01-2重量份与溶剂100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率300w-600w超声1.5-3小时；
第二步：在第一步得到的混合溶液中加入高分子增稠剂0.01-5重量份，用超声波细胞粉碎机以功率300w-600w超声1-2h；
第三步：在预氧化后的纺丝用纤维上用第二步得到的混合溶液形成厚度为100-300nm的涂层，然后经过碳化得到高强度碳纤维。
所述第一步中采用的碳纳米管优选为羧基化的多臂碳纳米管。
所述第一步中采用的溶剂优选为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或蒸馏水。
所述第二步中所采用的高分子增稠剂优选为聚丙烯腈、聚乙烯醇或α-氰基丙烯酸酯。依据溶剂的不同而不同。
所述第三步中在预氧化后的纺丝用纤维上形成涂层的方法优选为将预氧化后的纺丝用纤维以固液比1∶3-1∶2浸入到第二步得到的混合溶液中静置1-2h。
所述第三步中在预氧化后的纺丝用纤维上形成涂层的方法优选为将第二步得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压80kv-120kv、喷射距离25cm-40cm以及喷枪旋转速度2800r/min-3000r/min的条件下喷射到纤维表面。
本发明的有益效果如下：
(1)表面修复以后减少了表面缺陷，有效的消除了应力集中，可使碳纤维的拉伸强度提高15％-30％，韧性提高30％；
(2)处理时间短、可在线配套使用、投资少、处理费用低；
(3)可根据碳纤维缺陷的程度，适当的调整碳纳米管/溶剂的比例以及走丝速度，以达到更好的增强效果；
(4)处理效果好、生产效率高；
(5)操作简单，易工业化使用。
附图说明
图1是表面处理剂的质量比为聚丙烯腈∶多臂碳纳米管∶二甲基亚砜＝0.05∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图；
图2是表面处理剂的质量比为聚乙烯醇∶多臂碳纳米管∶N，N-二甲基甲酰胺＝0.05∶0.5∶100处理后碳纤维放大倍数的10000倍的场发射电镜图；
图3是表面处理剂的质量比为聚乙烯醇∶多臂碳纳米管∶水＝5∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图；
图4是表面处理剂的质量比为α-氰基丙烯酸脂∶多臂碳纳米管∶水＝5∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例1
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.05重量份与溶剂二甲基亚砜100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率300w超声3小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂聚丙烯腈(聚合度为8.8万，粒径为230nm-250nm)0.05重量份，用超声波细胞粉碎机以功率300w超声2小时；将氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维以固液比1∶3浸入到得到的混合溶液中静置1h，在氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维表面上形成厚度为200nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。图1是表面处理剂的质量比为聚丙烯腈∶多臂碳纳米管∶二甲基亚砜＝0.05∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图。由场发射电镜图看出碳纳米管均匀的附着在了纤维表面，可以对纤维表面的孔洞进行修复，从而有效提高碳纤维的拉伸强度。
实施例2
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.5重量份与溶剂N，N-二甲基甲酰胺100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率600w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂聚乙烯醇(聚合度为8.8万，粒径为230nm-250nm)0.05重量份，用超声波细胞粉碎机以功率600w超声1小时；将氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维以固液比1∶2浸入到得到的混合溶液中静置2h以在预氧化后的纺丝用纤维上形成厚度为200nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。图2是表面处理剂的质量比为聚乙烯醇∶多臂碳纳米管∶N，N-二甲基甲酰胺＝0.05∶0.5∶100处理后碳纤维放大倍数的10000倍的场发射电镜图。
实施例3
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.05重量份与溶剂水100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声2小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂聚乙烯醇(聚合度为8.8万，粒径为230nm-250nm)5重量份用超声波细胞粉碎机以功率600w超声1.5小时；将得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压80kv、喷射距离25cm以及喷枪旋转速度2800r/min的条件下喷射到氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维表面形成厚度为300nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。图3是表面处理剂的质量比为聚乙烯醇∶多臂碳纳米管∶水＝5∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图。
实施例4
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.05重量份与溶剂水100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂α-氰基丙烯酸脂(分子量400-800，厂家：上海诺泰化工有限公司)5重量份，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1h；将得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压120kv、喷射距离40cm以及喷枪旋转速度3000r/min的条件下喷射到氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维表面形成厚度为100nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。图4是表面处理剂的质量比为α-氰基丙烯酸脂∶多臂碳纳米管∶水＝5∶0.05∶100处理后碳纤维放大倍数为10000倍的场发射电镜图。
实施例5
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.01重量份与溶剂蒸馏水100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂α-氰基丙烯酸脂0.01重量份，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1h；将得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压100kv、喷射距离30cm以及喷枪旋转速度2900r/min的条件下喷射到氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维表面形成厚度为100nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。
实施例6
将羧基化的多臂碳纳米管(中国科学院成都有机化学研究所，长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)2重量份与二甲基乙酰胺100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入高分子增稠剂α-氰基丙烯酸脂2重量份，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1h；将得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压120kv、喷射距离30cm以及喷枪旋转速度2900r/min的条件下喷射到氧化后的聚丙烯腈预氧化纤维表面形成厚度为100nm的涂层，然后经过1000摄氏度碳化得到高强度碳纤维。
实施例1-6中得到的碳纤维的力学性能如下表：
Figure G2009101957940D00051

Claims (6)

1、一种高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将碳纳米管0.01-2重量份与溶剂100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率300w-600w超声1.5-3小时；
第二步：在第一步得到的混合溶液中加入高分子增稠剂0.01-5重量份，用超声波细胞粉碎机以功率300w-600w超声1-2h；
第三步：在预氧化后的纺丝用纤维上用第二步得到的混合溶液形成厚度为100-300nm的涂层，然后经过碳化得到高强度碳纤维。
2、如权利要求1所述的高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中采用的碳纳米管为羧基化的多臂碳纳米管。
3、如权利要求1所述的高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，所述第一步中采用的溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或蒸馏水。
4、如权利要求1所述的高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，所述第二步中所采用的高分子增稠剂为聚丙烯腈、聚乙烯醇或α-氰基丙烯酸酯。
5、如权利要求1所述的高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，所述第三步中在预氧化后的纺丝用纤维上形成涂层的方法为将预氧化后的纺丝用纤维以固液比1∶3-1∶2浸入到第二步得到的混合溶液中静置1-2h。
6、如权利要求1所述的高强度碳纤维的制备方法，其特征在于，所述第三步中在预氧化后的纺丝用纤维上形成涂层的方法为将第二步得到的混合溶液采用静电喷射在喷射电压80kv-120kv、喷射距离25cm-40cm以及喷枪旋转速度2800r/min-3000r/min的条件下喷射到纤维表面。
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