CN111979607A - 一种中空碳化硅纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中空碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。本发明具有低成本、环境友好、操作简单、所需设备简单、中空纤维管壁厚度可控、形貌规整等优点。
Description
技术领域
本发明涉及碳化纤维材料技术领域，具体为一种中空碳化硅纤维的制备方法。
背景技术
碳化硅纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、与金属基复合材料有良好的相容性、与陶瓷基复合材料有良好的形容性等优越的性能，在恶劣环境中广泛服役。自上世纪70年代日本东北大学的Yajima等提出先驱体转化法制备碳化硅纤维以来，各种碳化硅纤维的发展推动先驱体转化法的应用。通过先驱体转化法不仅可以制备出含异质金属元素的碳化硅纤维，同时也可以制备出异形结构碳化硅纤维，不仅如此，通过对先驱体转化法的步骤进行改进也可以用于制备中空碳化硅纤维。改进先去体转化法步骤制备中控碳化硅纤维的方法有：先驱体的混合纺丝法、C型纺丝板纺丝法、电子束辐照法、强氧化剂氧化法、卤素改性胺水解法、二胺类固化法等。其中先驱体共混纺丝法制备的中空碳化硅纤维存在空洞不连续，管壁厚度不均一、不可控等缺点；C型纺丝板纺丝制备的中空碳化硅纤维直径较粗，中空区域为水滴型；电子束辐照法制备的中空碳化硅纤维虽然能得到形貌规整、细直径的中空碳化硅纤维，但是所需设备价格昂贵、成本较高、防护条件苛刻等限制其大规模生产；强氧化剂氧化法、改性胺水解法、二胺类固化法虽然能制备出相貌较规整中空碳化硅纤维，但强氧化剂对操作人员有一定的危害，改性胺水解使得操作更加繁琐，这将额外增加生产的成本。因此，现有的制备中空碳化硅纤维的技术还有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空碳化硅纤维的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种中空碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；
步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；
步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联目标温度为230～330℃。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联升温速率为0.1～3℃/min。
优选的是，步骤（1）中保温时间为0～2h。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联所用气体氧分压在0.1%～3%之间。
优选的是，步骤（1）中，加热设备中含氧气体为含0.1～3%氧气的氮气、氩气中的一种，含氧分压气氛的流速为2 mL/min～10 L/min。
优选的是，步骤（2）中，萃取剂为四氢呋喃、苯等中的一种。
优选的是，步骤（1）中，聚碳硅烷纤维的热氧化交联深度为1～9μm。
优选的是，步骤（3）中热解温度为1000～1300℃。
优选的是，步骤（3）中真空度为-0.04～-0.085MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有低成本、环境友好、操作简单、所需设备简单、中空纤维管壁厚度可控、形貌规整等优点。
附图说明
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
图1为具体实施例一条件下得到的中空SiC纤维。
图2为具体实施例二条件下得到的中空SiC纤维。
图3为具体实施例六条件下得到的中空SiC纤维。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提出一种中空碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；
步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；
步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联目标温度为230～330℃。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联升温速率为0.1～3℃/min。
优选的是，步骤（1）中保温时间为0～2h。
优选的是，步骤（1）中热氧化交联所用气体氧分压在0.1%～3%之间。
优选的是，步骤（1）中，加热设备中含氧气体为含0.1～3%氧气的氮气、氩气中的一种，含氧分压气氛的流速为2 mL/min～10 L/min。
优选的是，步骤（2）中，萃取剂为四氢呋喃、苯等中的一种。
优选的是，步骤（1）中，聚碳硅烷纤维的热氧化交联深度为1～9μm。
优选的是，步骤（3）中热解温度为1000～1300℃。
优选的是，步骤（3）中真空度为-0.04～-0.085MPa。
下面针对不同配方进行说明：
实施例一
取一定质量的聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为20 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为1.5℃/min，热氧化交联目标温度为270℃，保温时间为1h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出中空碳化硅纤维。
实施例二
取一定质量的聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为20 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为0.5℃/min，热氧化交联目标温度为270℃，保温时间为1h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出中空碳化硅纤维。
实施例三
取一定质量的聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为20 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为1.5℃/min，热氧化交联目标温度为330℃，保温时间为1h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出中空碳化硅纤维。
实施例四
取一定质量的聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为20 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为1.5℃/min，热氧化交联目标温度为330℃，保温时间为0h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出中空碳化硅纤维。
实施例五
取一定质量的含铝聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为50 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为1.5℃/min，热氧化交联目标温度为270℃，保温时间为1h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出含铝中空碳化硅纤维。
实施例六
取一定质量的含铝聚碳硅烷纤维于石英舟中，放入管式炉，通入含氧气氛30min，含氧气氛流速为50 mL/min，设定升温程序，30min后启动加热程序进行热氧化交联，其升温速率为1.5℃/min，热氧化交联目标温度为280℃，保温时间为1h。保温时间结束后，将纤维移至低温区冷却，冷却至室温后停止含氧气氛的流通。取出纤维以四氢呋喃为溶剂，在索氏提取器中抽提15次。将抽提后的纤维自然晾干后，真空下1000℃裂解，从而制备出含铝中空碳化硅纤维。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；
步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；
步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。
2.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联目标温度为230～330℃。
3.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联升温速率为0.1～3℃/min。
4.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，保温时间为0～2h。
5.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联所用气体氧分压在0.1%～3%之间。
6.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，加热设备中含氧气体为含0.1～3%氧气的氮气、氩气中的一种，含氧分压气氛的流速为2 mL/min～10 L/min。
7.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，萃取剂为四氢呋喃、苯等中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，聚碳硅烷纤维的热氧化交联深度为1～9μm。
9.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，热解温度为1000～1300℃。
10.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，真空度为-0.04～-0.085MPa。
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