CN111962287A - 一种使用焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种使用焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维的工艺，即通过碳纤维实施多2～4段通电的方式，利用碳纤维自身的电阻和导热性质加热实现石墨化，得到高弹性模量的石墨化碳纤维。具体是在惰性气氛下对碳纤维加载5～50V电压，分多段进行，每段通电时间控制在3～10s。由此方法加热碳纤维其加热温度最高可达2800℃。相较于传统的热辐射方式加热，焦耳热加热法可节约40％以上的能源、设备成本。本发明工艺简单，过程容易控制，得到的石墨化碳纤维同时具备高性能和低的制备成本以及能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能低成本石墨化碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维由于其优异的机械、导电和导热性能，以及轻质和高化学稳定性，已广泛用于化学工业中。涉及的产业领域包括航空航天，汽车，体育用品，风机叶片等诸多领域。商业碳纤维的品质由许多性能指标决定，弹性模量是其中之一。由弹性模量可将碳纤维分为低弹性模量和高弹性模量碳纤维。低弹性模量碳纤维的弹性模量值通常低于350GPa，而高弹性模量碳纤维的值高于350GPa。高弹性模量碳纤维由于能够在航空和航天等应用中增强轻质复合材料而具有很高的价值。对于工艺过程层面，低弹性模量碳纤维和高弹性模量碳纤维的制造工艺基本相同，唯一不同的是，低弹性模量碳纤维需进一步高温石墨化才能实现高弹性模量(2000–3000℃)。
全球能源问题日益凸显，激烈的市场竞争环境又要求企业在提升产品品质的同时，能够降低产品生产成本。能耗是化工生产成本中占比较大的一部分，所以对化工工艺路线进行节能降耗研究，既符合社会的发展需求，又能为企业带来经济效益。目前工业上普遍使用的石墨化碳纤维加热方法是热辐射加热碳纤维，而这往往带来能耗，成本以及设备维护费过高的问题。限制了高弹性模量碳纤维的推广和应用，面对日趋增长的应用需求以及逐渐扩大的应用领域，急需寻找并研究一种高产量，低成本制备高性能碳纤维的制备工艺。
发明内容
基于上述提到的能耗和成本问题，通过引入焦耳热加热法制备了高性能低成本石墨化碳纤维，即得到的石墨化碳纤维弹性模量高于350MPa，同时由于是利用碳纤维的导电和电阻性质直接通电作用于碳纤维本身，由此方法加热碳纤维其加热温度最高可达2800℃。因此相较于传统的辐射热加热法可节约40％以上的成本。
焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维工艺，其特征在于：以碳纤维为原料，在封闭环境中通入惰性气体保护，在碳纤维两端通电，通电分段进行，所述的通电分段进行是将碳纤维进行2～4次通电；通电电压为5～50V，并保持碳纤维每次通电3～10s，清洗干燥得到高性能低成本石墨化碳纤维。
进一步，惰性气体氩气或氮气。
进一步，所述的通电条件为直流电或交流电。
为实现这一目的，本发明使用商用碳纤维作为原料，在惰性气体保护的封闭环境中对原料碳纤维进行多段通电(2～4段)，每段的通电电压控制在5～50V，每段通电时间控制在3～10s，本发明工艺简单，过程容易控制，得到的石墨化碳纤维同时具备高性能和低的制备成本以及能耗。
具体实施方式：
实施例一：
使用12K碳纤维(T300)作为原料，在氮气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在20V，通电时间为10s。
经过两次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到343GPa。
实施例二：
使用12K碳纤维(T300)作为原料，在氩气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在10V，通电时间为10s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在25V，通电时间为8s。
经过三次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到376GPa。
实施例三：
使用12K碳纤维(T300)作为原料，在氩气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在10V，通电时间为10s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在25V，通电时间为8s。
经过三次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到397GPa。
实施例四：
使用24K碳纤维(T700)作为原料，在氮气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在15V，通电时间为8s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在30V，通电时间为10s。
经过三次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到412GPa。
实施例五：
使用12K碳纤维(T800)作为原料，在氩气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在15V，通电时间为10s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在40V，通电时间为10s。
经过三次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到408GPa。
实施例六：
使用24K碳纤维(T800)作为原料，在氮气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在20V，通电时间为7s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在30V，通电时间为10s。
通过第三段通电后，继续进入第四段通电流程，电压提升，保持在50V，通电时间为10s。
经过四次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到420GPa。
实施例七：
使用24K碳纤维(T1000)作为原料，在氮气保护下进行通电处理，施加电压控制在5V，通电时间控制在3s。
通过第一段通电后，继续进入第二段通电流程，电压提升，保持在20V，通电时间为10s。
通过第二段通电后，继续进入第三段通电流程，电压提升，保持在30V，通电时间为10s。
通过第三段通电后，继续进入第四段通电流程，电压提升，保持在50V，通电时间为10s。
经过四次通电得到的石墨化碳纤维清洗干燥，弹性模量达到454GPa。
Claims (3)
1.焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维工艺，其特征在于：以碳纤维为原料，在封闭环境中通入惰性气体保护，在碳纤维两端通电，通电分段进行，所述的通电分段进行是将碳纤维进行2～4次通电；通电电压为5～50V，并保持碳纤维每次通电3～10s，清洗干燥。
2.如权利要求1所述的焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维的方法，其特征在于：惰性气体为氩气或氮气。
3.如权利要求1所述的焦耳热技术制备高性能低成本石墨化碳纤维的方法，其特征在于：所述的通电条件为直流电或交流电。
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