CN103898635A - 一种分子共振碳纤维的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子共振碳纤维的制造方法。该方法包括具体步骤如下：（1）预氧化处理。（2）碳化处理。（4）上浆处理。（5）深加工形成碳纤维成品。在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%-10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。本发明具有的优点：（1）预氧化反应的进行，缩短预氧化时间的效果；（2）碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度；（3）碳纤维结构不断完善；（4）制得的碳纤维含碳量高，可达99%的效果。

Description

一种分子共振碳纤维的制造方法

技术领域

本发明涉及碳纤维材料，特别涉及一种分子共振碳纤维的制造方法。 

背景技术

碳纤维是有机纤维经一系列热处理后转化而成的含碳量在90%以上的新型碳材料。碳纤维不但具有高比强度和比模量、高导电性、低热膨胀系数、耐高温、抗腐蚀、抗蠕变以及自润滑等一系列优异的性能，还具有纤维的柔性和可编制性等特点，常作为先进复合材料的增强体，在航空航天、核能设备以及隐形武器等国防领域具有不可替代的作用，同时在土木建筑、交通运输以及体育休闲等民用工业领域也得到了广泛的应用。 

碳纤维的制备工艺过程包括聚合、纺丝、预氧化和碳化，其中预氧化过程是碳纤维制备过程中结构转变的关键阶段，其目的是使聚丙烯腈的线型大分子链转化为耐热的梯形结构，使其在碳化时不熔不燃，保持纤维形态。预氧化过程中原丝的结构转变在很大程度上决定着碳纤维的结构和性能，同时对碳化过程中焦油的产生量也有较大影响。聚丙烯腈基碳纤维原丝的预氧化工艺中最终预氧化温度是根据原丝的DSC曲线来确定的。一般来说，聚丙烯腈基碳纤维原丝的DSC曲线具有三个放热峰，如图1中所示的峰1、峰2和峰3。现行工艺中最终预氧化温度基本都确定在原丝DSC曲线上峰1对应的峰值温度之前，这种最终预氧化温度的确定标准导致聚丙烯腈基碳纤维预氧丝的预氧化程度不高，进而会在碳化过程中产生较多的焦油量，不利于碳纤维生产过程的正常进行。 

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种分子共振碳纤维的制造方法。 

为实现上述目的，本发明提供的一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除； 

预氧化是纤维碳化的预备阶段，是保证纤维碳化的高温加热过程中能稳定，不被溶化的关键工艺。上述预氧化处理指在预氧化过程中氰 基环化的程度。如果纤维充分氧化，预氧化丝中的氧含量可达16～23％，一般控制在6～12％。低于6％，预氧化程度不足，在高温碳化时未环化部分易分解逸出。高于12％，大量被结合的氧会在碳化过程中以CO2、CO、H2O等逸出，导致纤维密度、收率、强度下降。实现预氧化处理的效果的关键是预氧化过程中反应热的瞬间排除。采取方式可以通入预氧化炉中流动空气。 

（2）碳化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间。碳化处理主要是化学变化阶段。碳化时保护气氛的纯度，及时排除裂变产物，掌握升温速度的快慢等，对制得碳纤维的强度都有很大影响。不仅使纤维的取向度得到提高，而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生，可制得结构较均匀的高性能碳纤维。实现了制得的碳纤维含碳量高的技术效果。 

（3）表面处理； 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

碳化过程中会有非碳元素的各种气体(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。如不及时排除，将造成纤维表面缺陷，甚至断裂。表面处理的目的提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。杂质来源碳纤维吸收的水分，纤维空隙中残留的有机热解产物以及从环境中沾染的杂质。如何处理？将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。经过处理后，提高了碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。 

（4）上浆处理； 

（5）深加工形成碳纤维成品； 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

上述加入共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂的作用：①使含碳有机纤维氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；②并可大大提高予氧化及碳化的速度；③有利于预氧化过程的牵伸。实现了预氧化反应的进行，缩短预氧化时间的效果。 

另一发明目的是提供一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如 下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除。 

（2）石墨化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％。 

石墨化程度主要取决于所达到的温度，温度愈高，石墨化程度愈完全，经过3000℃石墨化处理的石墨纤维，含碳量几乎达到100%。在此过程中，要对纤维施加张力，其作用是限制纤维收缩，并使分子定向排列，从而使碳纤维获得高强度和高弹性模量。根据石墨化的温度不同，在2000℃下制得的纤维称碳纤维，在3000℃下制得的纤维称石墨纤维。石墨化目的：主要是引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。石墨化过程中：结晶碳含量不断提高，可达99％以上。实现了碳纤维结构不断完善的目的。 

（3）表面处理 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

（4）上浆处理。 

（5）深加工形成碳纤维成品。 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

另一发明目的是提供一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除。 

（2）碳化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间。 

（3）石墨化处理 

经过碳化处理的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％。 

（4）表面处理 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

（5）上浆处理。 

（6）深加工形成碳纤维成品。 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

在一些实施方式中，含碳有机纤维是聚丙烯腈或腈纶。 

在一些实施方式中，预氧化处理同时发生的反应：环化反应、脱氢反应、吸氧反应 

在一些实施方式中，惰性气体是指高纯氮气N2。 

在一些实施方式中，表面处理是表面涂层法。表面处理是将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在碳纤维表面。 

在一些实施方式中，所述的表面涂层法是气相沉积法或者表面电聚合或者偶联剂涂层或者晶须生长法。 

另一发明目的是提供一种经过一种分子共振碳纤维的制造方法制的分共振碳纤维，由皮层和芯层，及在皮层和芯层之间的中间过渡区组成。皮层微晶较大且排列有序，芯层微晶减小且排列紊乱结构不均匀。 

本发明实现的有益效果是（1）预氧化反应的进行，缩短预氧化时间的效果；（2）碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度；（3）碳纤维结构不断完善；（4）制得的碳纤维含碳量高，可达99%。 

具体实施方式

下面对发明作进一步详细的说明。 

大家都知道，在自然森林中存在着大量的负电荷（负氧离子），身处其中，能够让人顿时感到神清气爽，若能够长期置身于负氧离子含量较高的环境和场所中，人体各部分功能都可以逐渐恢复到最佳状态，从而使细胞能够自身恢复，实现了很多慢性疾病和城市亚健康症状不治自愈的理想效果。 

MRM是英文Molecular Resonance Membrane的缩写，是“分子共振”之意。继五十年代美国科学家发现NMR（Nuclear Magnetic Resonance）“核磁共振”，并被医学界广泛应用而获得诺贝尔物理奖之后近半个世纪， MRM技术终于在经过无数次权威机构和专家临床验证，以更贴近人类日常生活细节的产品研发形态优势登上了生命科技的殿堂。MRM粉由多种天然极性矿物与纳米复合耐高温抗菌材料等多种无机非金属材料经精细加工而成，其配方及工艺为：把重量比10%～50%的碳、20%～60%的陶瓷、5%～25%的白云石、5%～25%的碳化钙，经真空混砂机搅拌，将搅拌后的混合原料做成颗粒状，置于无氧烧成炉中，在1100℃～1250℃的温度条件下，做8～12小时烧成。MRM陶板、MRM膜、MRM发酵罩是一种被称为MRM粉(又称为分子共振粉)的材料在不同结构形态下的应用，其利用的原理即为MRM。由MRM粉制成的MRM陶板、MRM膜、MRM发酵罩具有MRM技术最一般的功效：分子共振、负离子发生、细胞修复。所谓MRM处理，就是将这些由MRM粉制成的MRM陶板、MRM膜、MRM发酵罩应用到某个领域，使该领域内的一些生产活动具有由分子共振、负离子、细胞修复（还原）所带来的功效。也就是应用了量子物理生物分子新材料的技术，有效地将严重污染的地表水经过“共振共鸣”的物理效应，提高了动物生命对水质的需求，提高免疫力促进动物生长。简单而言,就是采用多种天然稀土材料通过多道高温煅烧与研磨工序后，形成的纳米级特殊粉末，并产生按指定标准当量的阴电离子生命光波（0.75-13μm），此阴电离子生命光波通过作用于水分子，与水分子产生共振后，能大幅还原、提高水的活力。该技术用途广泛，在所有有水分子存在的环境中均能产生作用；通过与水分子的共振共鸣，不仅能达到改善水的活化乳化能力，而且能大幅改善环境的作用。 

另外，MRM发出的带负电荷(负离子）的生命光波，把杂乱无序的水分子瞬间排列为有序化，将水分子集团（自来水分子团束为12-16个，污染水35-50个）细化为5-6个小分子集团水分子，并不含任何有害物质，提高水分子活性，将氧化还原的电位由正的+mV还原到-mV，从而改变并激活惰性水分子，增加水分子的携氧量，防止红色铁锈的生成，赋予宿主健康的离子化有效矿物质如镁、铁、硅等，直接去除病原生物的粘着集合体，其水分子的乳化力渗透力被有效提高；MRM所产生的负离子，不仅能降解水中的有害物质，抑制有害菌，刺激有益菌的增长。 

水中溶解氧对人体的作用：氧和水都是维持生命的必须物质。人们主 要通过呼吸系统吸收氧，其次就是通过消化系统吸收。消化系统能吸收的氧，就是溶于水中的溶解氧。含高溶解氧的水进入并流经消化道的过程中，水中的氧会被消化道的各部分吸收，然后进入血液被血红蛋白运送至全身各部分，或者进入体液、渗入细胞间质中，并与细胞质发生交换。因此，人们饮用水的溶解氧愈多，氧被消化系统吸收就愈多，对健康愈有利。长期饮用有充足的溶解氧的水能改善血液循环、消化系统、心血管、内分泌腺、脑部的生理功能。另外，自然水中溶解了人体所需要的镁、锰、钙、铁、等无机离子和某些有机物及气体，饮用含有适量（含量不可过多）的这些元素的水对维持细胞及人体的渗透压、促进有大量酶参与的新陈代谢、保持人体正常生理功能及生理活动有重大。 

其中MRM粉在应用的过程中是如何产生大量的负离子？具体是将“一种交叉利用量子物理技术和共振共鸣理论实现6.3万亿个/S深海波（MCT），激发水分子中电子，使其由低能轨道跃升到高能轨道的技术”。 

在无水的大气中，一样可以释放对人体有益健康的负氧离子。 

综上所述，分子共振原理交叉利用量子物理原理(研究分子、原子和原子核的振动)和共振共鸣理论实现超高频α波相当于6.3万亿个/S深海波（MCT），激发水分子中电子，使其由低能轨道跃升到高能轨道的技术。 

第一发明目的 

一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除； 

预氧化是纤维碳化的预备阶段，是保证纤维碳化的高温加热过程中能稳定，不被溶化的关键工艺。上述预氧化处理指在预氧化过程中氰基环化的程度。如果纤维充分氧化，预氧化丝中的氧含量可达16～23％，一般控制在6～12％。低于6％，预氧化程度不足，在高温碳化时未环化部分易分解逸出。高于12％，大量被结合的氧会在碳化过程中以CO2、CO、H2O等逸出，导致纤维密度、收率、强度下降。实现预氧化处理的效果的关键是预氧化过程中反应热的瞬间排除。采取方式可以通入预氧化炉中流动空气。 

（2）碳化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤 维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间。碳化处理主要是化学变化阶段。碳化时保护气氛的纯度，及时排除裂变产物，掌握升温速度的快慢等，对制得碳纤维的强度都有很大影响。不仅使纤维的取向度得到提高，而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生，可制得结构较均匀的高性能碳纤维。实现了制得的碳纤维含碳量高的技术效果。 

（3）表面处理； 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

碳化过程中会有非碳元素的各种气体(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。如不及时排除，将造成纤维表面缺陷，甚至断裂。表面处理的目的提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。杂质来源碳纤维吸收的水分，纤维空隙中残留的有机热解产物以及从环境中沾染的杂质。如何处理？将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。经过处理后，提高了碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。 

（4）上浆处理； 

（5）深加工形成碳纤维成品； 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

上述加入共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂的作用：①使含碳有机纤维氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；②并可大大提高予氧化及碳化的速度；③有利于预氧化过程的牵伸。实现了预氧化反应的进行，缩短预氧化时间的效果。 

含碳有机纤维是聚丙烯腈或腈纶。预氧化处理同时发生的反应：环化反应、脱氢反应、吸氧反应。惰性气体是指高纯氮气N2。表面处理是表面涂层法。表面处理是将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在碳纤维表面。表面涂层法是气相沉积法或者表面电聚合或者偶联剂涂层或者晶须生长法。 

第二发明目的 

一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃ 的温度下加热，之后反应热瞬间排除。 

（2）石墨化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％。 

石墨化程度主要取决于所达到的温度，温度愈高，石墨化程度愈完全，经过3000℃石墨化处理的石墨纤维，含碳量几乎达到100%。在此过程中，要对纤维施加张力，其作用是限制纤维收缩，并使分子定向排列，从而使碳纤维获得高强度和高弹性模量。根据石墨化的温度不同，在2000℃下制得的纤维称碳纤维，在3000℃下制得的纤维称石墨纤维。石墨化目的：主要是引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。石墨化过程中：结晶碳含量不断提高，可达99％以上。实现了碳纤维结构不断完善的目的。 

（3）表面处理 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

（4）上浆处理。 

（5）深加工形成碳纤维成品。 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

第三发明目的 

一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下： 

（1）预氧化处理 

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除。 

（2）碳化处理 

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间。 

（3）石墨化处理 

经过碳化处理的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％。 

（4）表面处理 

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加 热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。 

（5）上浆处理。 

（6）深加工形成碳纤维成品。 

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。 

第四发明目的 

一种分子共振碳纤维的制造方法制的分共振碳纤维，由皮层和芯层，及在皮层和芯层之间的中间过渡区组成。皮层微晶较大且排列有序，芯层微晶减小且排列紊乱结构不均匀。 

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下：

（1）预氧化处理

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除；

（2）碳化处理

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间；

（3）表面处理；

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化；

（4）上浆处理；

（5）深加工形成碳纤维成品；

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。

2.一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下：

（1）预氧化处理

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除；

（2）石墨化处理

经过氧化的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％；

（3）表面处理；

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化；

（4）上浆处理；

（5）深加工形成碳纤维成品；

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。

3.一种分子共振碳纤维的制造方法，具体步骤如下：

（1）预氧化处理

将含碳有机纤维作为原料，放在空气介质中进行氧化，在200-300℃的温度下加热，之后反应热瞬间排除；

（2）碳化处理

经过氧化的含碳有机纤维，隔绝空气放在惰性气体中继续加热，使纤维中的氢、氮、氧元素不断逸出，直到约1200℃-1500℃，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维；碳纤维的合碳量在75%-95%之间；

（3）石墨化处理

经过碳化处理的含碳有机纤维，在密闭的容器中继续加热，直到约2500-3000℃，使结晶碳含量在99％；

（4）表面处理；

碳纤维表面处理的途径清除表面杂质；将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化；

（5）上浆处理；

（6）深加工形成碳纤维成品；

在预氧化前对含碳有机纤维中加入含量为5%－10%的分子共振粉和丙烯腈共聚单体引发剂进行聚合反应。

4.根据权利要求1－3所述的分子共振碳纤维的制造方法，其特征在于，所述的含碳有机纤维是聚丙烯腈或腈纶。

5.根据权利要求1－3所述的分子共振碳纤维的制造方法，其特征在于，所述的预氧化处理同时发生的反应：环化反应、脱氢反应、吸氧反应。

6.根据权利要求1－3所述的分子共振碳纤维的制造方法，其特征在于，所述的惰性气体是指高纯氮气N2。

7.根据权利要求1－3所述的分子共振碳纤维的制造方法，其特征在于，

所述的表面处理是表面涂层法；

所述的表面处理是将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在碳纤维表面。

8.根据权利要求7所述的分子共振碳纤维的制造方法，其特征在于，所述的表面涂层法是气相沉积法或者表面电聚合或者偶联剂涂层或者晶须生长法。

9.根据权利要求1-3所述的一种分子共振碳纤维的制造方法制得的分共振碳纤维，其特征在于，由皮层和芯层，及在皮层和芯层之间的中间过渡区组成；

所述的皮层微晶较大且排列有序；

所述的芯层微晶减小且排列紊乱结构不均匀。