CN101956252A - 一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法，包括：(1)将聚丙烯腈原丝在硼酸溶液中浸渍；(2)浸渍后的原丝在空气气氛下预氧化；(3)将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化；(4)将碳化后的原丝在氩气保护下石墨化，与未改性原丝比，所获得碳纤维的模量显著提高。本发明的方法简单，成本低，适合于工业化生产；所得纤维具有更高强度和更高模量。
Description
技术领域
本发明属碳纤维的制备领域，特别是涉及一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法。
背景技术
碳纤维集高强度、高模量、低密度、耐高温和热膨胀系数小、耐化学腐蚀性、导电等优良性能于一身，作为高级复合材料的增强体在航空航天、国防军事等尖端科技领域及交通运输工业、建筑工业、高级体育用品、医疗器械等民用领域获得了广泛的应用并具有广阔的发展前景。工业化的以原料来划分的三种碳纤维中，聚丙烯腈碳纤维的力学性能最高、应用最广、用量最大、发展最迅速，目前仍在不断研发当中。
原丝的结构是决定碳纤维性能的最关键因素，因此有大量专利技术集中在原料结构控制[1-3]和原丝的制备上[4，5]。除此之外，对成品原丝进行化学、物理改性也是提高碳纤维性能的有效方法。
通过化学改性提高聚丙烯腈原丝的后牵伸性能、改变其预氧化过程中的热性能是研究热点之一。很多专利和文献涉及到金属离子钾、镍、钴、和铜[6-12]等降低了预氧化温度，使放热峰变宽，预氧化反应和环化反应比较缓和，提高了纤维的致密度，得到性能优异的碳纤维。
但是这些改性剂也存在不足之处，就是在改性过程中会带入金属离子，这些离子往往在碳化或石墨化时才逐渐从碳纤维中逸出形成孔洞，产生大量缺陷，从而降低碳纤维的力学性能。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法，该方法简单，成本低，适合于工业化生产；所得纤维具有更高强度和更高模量。
本发明的一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维(石墨纤维)的方法，包括：
(1)将聚丙烯腈原丝在质量百分比浓度为0.1％-15％的硼酸溶液中常压浸渍5分钟-48小时，浸渍的温度为20℃-75℃；
(2)将上述浸渍后的原丝在空气气氛下预氧化，施加0-50MPa张力，温度从150℃升温至300℃；
(3)将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0-10MPa张力，温度从室温升温到1200℃-1500℃，碳化过程时间控制在1-120分钟；
(4)将碳化后所得碳纤维在氩气保护下2000℃-2800℃下石墨化得到石墨纤维。
所述步骤(1)先在丙酮中清洗原丝。
硼的原子半径和碳差不多大，易与碳产生化合物，不仅使其在预氧化阶段能改善因氧化不均匀带来的皮芯结构，而且在高温处理过程中不会逸出并与碳形成固溶体消除结构中的位错移动和可能产生的剪切畸变，填补了晶格缺陷，增加了微晶尺寸，起到了催化石墨化作用，使纤维的力学性能得到提高。
有益效果
(1)本发明的方法简单，成本低，适合于工业化生产；
(2)本发明在原丝部分进行硼浸渍改性，有利于在预氧化部分环化反应的进行，使预氧化充分，改善了皮芯结构，同时在碳化、石墨化过程中促进碳层片的有序化，得到更高强度和更高模量的聚丙烯腈基碳纤维，用硼酸溶液浸渍聚丙烯腈原丝，强度和模量比常规方法分别提高50-100％和15-50％。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下列实施例中采用的原丝为日本的3K的原丝(3000根单丝数/束＝3K)。
实施例1
将没有含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为110GPa，杨氏模量为169GPa。
实施例2
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍2小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.08GPa，杨氏模量为199GPa。
实施例3
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.20GPa，杨氏模量为199GPa。
实施例4
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为15％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为1.96GPa，杨氏模量为196GPa。
实施例5
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍2小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加5MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.16GPa，杨氏模量为216GPa。
实施例6
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加5MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.22GPa，杨氏模量为178GPa。
实施例7
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为13％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加5MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.35GPa，杨氏模量为194GPa。
实施例8
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为0.1％的硼酸溶液中在70℃下浸渍2小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加9MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.22GPa，杨氏模量为276GPa。
实施例9
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加9MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.25GPa，杨氏模量为202GPa。
实施例10
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为13％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加10MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在100分钟；
按上述步骤操作得到的聚丙烯腈纤维拉伸强度为2.54GPa，杨氏模量为245GPa。
通过实例9与其他实例1-7实验结果数据对照分析可见，用硼对原丝进行浸渍改性，在空气气氛中进行预氧化，同时在氮气保护下施加9MPa张力进行碳化可以得到更高拉伸强和更高杨氏模量的聚丙烯腈基碳纤维。
实施例11
将没有含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
最后将得到的碳纤维在氩气气氛中进行石墨化，从室温加热到2500℃，石墨化时间控制在150分钟；
按上述步骤操作得到的石墨化纤维拉伸强度为0.91GPa，杨氏模量为363GPa。
实施例12
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍2小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在90分钟；
最后将得到的碳纤维在氩气气氛中进行石墨化，从室温加热到2500℃，石墨化时间控制在150分钟；
按上述步骤操作得到的石墨化纤维拉伸强度为1.36GPa，杨氏模量为440GPa。
实施例13
用丙酮洗去聚丙烯腈原丝的油剂，将原丝放入质量百分比浓度为5％的硼酸溶液中在70℃下浸渍24小时。
将含硼的聚丙烯腈原丝施加43MPa的张力空气气氛下预氧化，温度从150℃升温至300℃，预氧化时间控制在105分钟；
再将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0MPa张力，温度从室温升温到1200℃，碳化过程时间控制在120分钟；
最后将得到的碳纤维在氩气气氛中进行石墨化，从室温加热到2500℃，石墨化时间控制在150分钟；
按上述步骤操作得到的石墨化纤维拉伸强度为1.43GPa，杨氏模量为456GPa。
通过实例12和13与实例11实验结果数据对照分析可见，用硼对原丝进行浸渍改性后得到的石墨化纤维强度和模量都得到了提高，尤其是模量，改性效果显著。
Claims (2)
1.一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法，包括：
(1)将聚丙烯腈原丝在质量百分比浓度为0.1％-15％的硼酸溶液中常压浸渍5分钟-48小时，浸渍温度为20℃-75℃；
(2)将上述浸渍后的原丝在空气气氛下预氧化，施加0-50MPa张力，从150℃升温至300℃；
(3)将预氧化后的原丝在氮气保护下碳化，施加0-10MPa张力，温度从室温升温到1200℃-1500℃，碳化过程时间控制在1-120分钟；
(4)将碳化后所得碳纤维在氩气保护下2000℃-2800℃下石墨化得到碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法，其特征在于：所述步骤(1)中先在丙酮中清洗原丝。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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