CN102383224A - 三氯化硼交联聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法 - Google Patents

三氯化硼交联聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法 Download PDF

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Abstract

三氯化硼交联聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,该方法是利用三氯化硼与聚丙烯腈原丝中的氰基不饱和官能团反应,形成硼-氮键,既在纤维内部均匀引入了硼,又实现了聚丙烯腈原丝的化学交联,交联后的原丝在氮气保护下碳化、在氩气保护下石墨化,替代了原有空气预氧化工艺。与空气预氧化未改性纤维相比,裂解尾气中剧毒气体氰化氢释放量大大降低,所得炭纤维的模量显著提高。本发明既没有增加工艺步骤,又实现了硼的均匀化学改性,并且通过键合引入的硼可以保持到石墨化阶段,对现有石墨化工艺没有影响,生产成本低,便于工业化生产。

Description

三氯化硼交联聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种炭纤维的制备方法,特别是涉及一种利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法。
背景技术
炭纤维集高强度、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。以原料来划分的三种工业化炭纤维中,聚丙烯腈炭纤维的力学性能最高、应用最广、用量最大、发展最迅速,目前仍在不断研发改进当中。
由于生产原丝和工艺的局限性,就其本体强度与弹性模量而言,聚丙烯腈炭纤维实际值与理论值相差很大。例如,炭纤维的理论拉伸强度为180GPa,理论模量为1020GPa。而在工业化炭纤维生产中,日本Toray公司生产的高强高模M65J型PAN基炭纤维的抗拉强度为3.63GPa,杨氏模量为640GPa,这是目前PAN基石墨纤维生产达到的最高水平,但抗拉强度仅为理论值的2%,杨氏模量也不到理论值的63%,而且其生产成本相当高。
近年来,国内外提高炭纤维力学性能的方法主要有3种:一是通过前驱体改性,减小纤维的缺陷,提高炭纤维的本体强度;二是通过气相碳的沉积表面补强,填补纤维的表面缺陷,达到提高强度的目的;三是通过不同的高温热处理技术(牵伸、催化、磁场)等,提高其石墨化程度,提高纤维的杨氏模量和拉伸强度。
硼原子与碳差不多大,易与碳产生化合物,在高温处理过程中不会逸出并与碳形成固溶体,削除结构中的位错和可能产生的剪切畸变,填补晶格缺陷,增加微晶尺寸,起到催化石墨化作用,使纤维的力学性能得到提高,因此,硼催化改性是提高炭纤维性能较好的路径之一。用金属做催化剂也可提高碳材料的石墨化程度,但由于金属做催化剂与碳的相容性不好,会在石墨化碳材料中形成两相结构,使材料中产生内应力,所以在炭纤维的石墨化过程中很少使用。
将硼添加到炭纤维中的方法,目前主要有以下几种:
(1)间接引入法。先将硼引入石墨坩埚壁中,然后将需要石墨化的纤维放到坩埚中进行石墨化,在高温条件下坩埚壁中的硼扩散出来,进入纤维中。1973年美国将此方法实现了连续化 [US3723605, 1973-03-27]。
(2)液体浸渍法。将石墨化原料纤维在硼化物原料中浸渍,然后,经洗涤干燥,最后石墨化。CN101956252A公开了一种硼改性聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征是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%。
(3)直接反应法。将原料炭纤维直接与硼或不含氧的硼化物接触,在2000℃以上、不引起硼化物接触熔融的条件下,进行石墨化。Allen S等人用聚丙稀腈基炭纤维为原料,在2750℃下以气相方式加入1%的硼,使杨氏模量从423GPa提高至537GPa,强度也略有提高 [Nature, 1969,224, 684]。
(4)气相沉积法。以氮气或氩气为载气,将硼化物引入石墨化炉,在高温条件下分解出的硼沉积在经过的炭纤维表面上。
但是,这些硼的引入方法,在连续化生产方面还存在诸多问题。如在聚丙烯腈原丝阶段浸渍硼酸虽然简单,但高温条件下硼酸生成氧化硼挥发,损失量大,不易控制;高温气相渗硼对石墨化装置带来挑战,且由于硼较难进入本已致密化的炭纤维内部,石墨化的均匀性不易控制。
因此,必须寻找适于工业化生产、成本较低的提升纤维强度与模量的方法。Kawaguchi等用聚丙烯腈粉末和BCl3在400℃反应,然后在1000℃热处理制备出了黑色粉末状BC3N [J Chem Soc Chem Commun,1993, (14), 1133-1134],但未能制得高性能的炭纤维。
发明内容
本发明的目的是,克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,该方法既可以提高炭纤维的强度和模量,又便于工业化生产,制造成本低。
本发明之利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,包括以下步骤:
(1)将聚丙烯腈原丝置于三氯化硼与氮气的混合气氛反应炉中,施加0-50MPa张力(优选10-30MPa),以100-600℃/h的升温速度迅速升温至100℃,再以10-30℃/h的升温速度从100℃加热到160-300℃,保温处理1-6小时,得到聚丙烯腈交联纤维;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为5-100%(优选20-60%);
(2)将步骤(1)所得聚丙烯腈交联纤维在氮气保护下碳化,施加0-10MPa张力,温度从室温升温到1200-1500℃,碳化时间控制为10-120分钟,得到炭纤维。
将步骤(2)所得炭纤维在氩气保护,2000-3000℃条件下石墨化(优选2400-2800℃),石墨化时间控制为100-300分钟,即得到石墨化炭纤维。可以进一步大幅度提高炭纤维的模量。
本发明具有以下有益效果:(1)利用三氯化硼与聚丙烯腈原丝中的氰基不饱和官能团反应,形成硼-氮键,既在纤维内部均匀引入了硼,又实现了聚丙烯腈原丝的化学交联,替代了原有空气预氧化工艺,并且裂解气体中有毒气体氰化氢释放量大大降低,一举多得;(2)本发明的方法既没有增加工艺步骤,又实现了硼的均匀化学改性,并且通过键合引入的硼可以保持到石墨化阶段,对现有石墨化工艺没有影响,便于工业化生产,生产成本低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述,但不得将这些实施例解释为对本发明保护范围的限制。
下列实施例采用的原丝为国产3K聚丙烯腈原丝(3K=3000根单丝/束)。
实施例1
(1)将聚丙烯腈原丝置于三氯化硼与氮气的混合气氛反应炉中,施加30MPa张力,以600℃/h的升温速度升温至100℃,再以20℃/h的升温速度从100℃加热到240℃,保温处理2小时,得到聚丙烯腈交联纤维;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为50%;
(2)将步骤(1)所得聚丙烯腈交联纤维在氮气保护下碳化,施加5MPa张力,温度从室温升温到1300℃,碳化时间控制为120分钟,得到炭纤维;
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.60GPa,杨氏模量为240GPa。
对照例1
(1)将聚丙烯腈原丝施加40MPa的张力,在空气气氛下预氧化,以600℃/h的升温速度迅速升温至100℃,再以20℃/h的升温速度从100℃加热到240℃,保温处理2小时;(2)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1300℃,碳化过程时间控制在120分钟。
本对照例制得之炭纤维拉伸强度为1.65GPa,杨氏模量为170GPa。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于,在三氯化硼与氮气混合气氛中,三氯化硼体积分数为5%。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.00GPa,杨氏模量为185GPa。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于,三氯化硼体积分数为100%(即单一的三氯化硼气氛)。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.30GPa,杨氏模量为250GPa。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于,交联过程按10℃/h的升温速度从100℃加热到160℃。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.40GPa,杨氏模量为245GPa。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于,交联过程按30℃/h的升温速度从100℃加热到300℃。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.40GPa,杨氏模量为210GPa。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于,碳化过程施加0MPa张力(即不施加张力)。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.50GPa,杨氏模量为200GPa。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于,碳化过程施加10MPa张力。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.60GPa,杨氏模量为260GPa。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于,碳化过程时间控制在10分钟。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.20GPa,杨氏模量为200GPa。
通过实施例1-8与对照例1实验结果的对比分析,可见,用三氯化硼对聚丙烯腈原丝交联,替代空气预氧化步骤,经碳化后,强度与模量得到明显提高。
对照例2
(1)将聚丙烯腈原丝施加30MPa的张力,在空气气氛下预氧化,以100℃/h的升温速度迅速升温至100℃,再按20℃/h的升温速度从100℃加热到240℃,保温处理2小时;(2)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1300℃,碳化过程时间控制在120分钟;(3)将碳化后的所得炭纤维在氩气保护下2500℃下石墨化,石墨化时间控制在150分钟,得到石墨化炭纤维。
本对照例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为1.20GPa,杨氏模量为370GPa。
实施例9
(1)将聚丙烯腈原丝置于三氯化硼与氮气的混合气氛反应炉中,施加30MPa张力,以100℃/h的升温速度升温至100℃,再以20℃/h的升温速度从100℃加热到240℃,保温处理2小时,得到聚丙烯腈交联纤维;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为50%;
(2)将步骤(1)所得聚丙烯腈交联纤维在氮气保护下碳化,施加5MPa张力,温度从室温升温到1300℃,碳化时间控制为120分钟,得到炭纤维;
(3)将步骤(2)所得炭纤维在氩气保护,2500℃条件下石墨化,石墨化时间控制为150分钟,即得石墨化炭纤维。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为2.05GPa,杨氏模量为585GPa。
实施例10
本实施例与实施例9的区别仅在于,三氯化硼体积分数为5%。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为2.00GPa,杨氏模量为523GPa。
实施例11
本实施例与实施例9的区别仅在于,三氯化硼体积分数为100%(即单一气氛三氯化硼)。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为1.95GPa,杨氏模量为600GPa。
实施例12
本实施例与实施例9的区别仅在于,交联过程按30℃/h的升温速度从100℃加热到300℃。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为1.75GPa,杨氏模量为475GPa。
实施例13
本实施例与实施例9的区别仅在于,碳化过程施加0MPa张力(即不加张力)。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为1.68GPa,杨氏模量为490GPa。
实施例14
本实施例与实施例9的区别仅在于,碳化过程施加10MPa张力。
本实施例制得之石墨化炭纤维拉伸强度为1.97GPa,杨氏模量为647GPa。
实施例15
本实施例与实施例9的区别仅在于,碳化过程时间控制在10分钟。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为1.90GPa,杨氏模量为510GPa。
实施例16
本实施例与实施例9的区别仅在于,石墨化温度为2000℃,石墨化时间控制在300分钟。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为2.10GPa,杨氏模量为520GPa。
实施例17
本实施例与实施例9的区别仅在于,石墨化温度为2800℃,石墨化时间控制在100分钟。
本实施例制得之炭纤维拉伸强度为1.90GPa,杨氏模量为604GPa。
通过实施例9-17与对照例2实验结果的对比分析,可见,用三氯化硼对聚丙烯腈原丝交联,替代空气预氧化步骤,经碳化、石墨化后,强度和模量都得到提高,尤其是模量得到显著提高。

Claims (5)

1. 一种利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将聚丙烯腈原丝置于三氯化硼与氮气的混合气氛反应炉中,施加0-50MPa张力,以100-600℃/h的升温速度升温至100℃,再以10-30℃/h的升温速度从100℃加热到160-300℃,保温处理1-6小时,得到聚丙烯腈交联纤维;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为5-100%;
(2)将步骤(1)所得聚丙烯腈交联纤维在氮气保护下碳化,施加0-10MPa张力,温度从室温升温到1200-1500℃,碳化时间控制为10-120分钟,得到炭纤维。
2.如权利要求1所述利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征在于,将权利要求1步骤(2)所得炭纤维在氩气保护,2000-3000℃条件下石墨化,石墨化时间控制为100-300分钟,得到石墨化的炭纤维。
3.如权利要求1或2所述利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中,对聚丙烯腈原丝施加的张力为10-30MPa;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为30-60%。
4.如权利要求2所述利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征在于,在氩气保护下,炭纤维石墨化温度为2400-2800℃。
5.如权利要求2所述利用聚丙烯腈原丝制备炭纤维的方法,其特征在于,对聚丙烯腈原丝施加的张力为10-30MPa;所述三氯化硼与氮气的混合气氛中,三氯化硼体积分数为30-60%;在氩气保护下,炭纤维石墨化温度为2400-2800℃。
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