复合碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合碳纤维及其制备方法，该方法包括：(1)提供喷头，所述喷头包括内通道和外通道，所述外通道环绕所述内通道的外围设置，将聚丙烯腈溶液通入所述外通道，将包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液通入所述内通道进行纺丝，得到芯层包括聚丙烯腈和中间相沥青，皮层包括聚丙烯腈的初生纤维；(2)将所述初生纤维依次进行沸水牵伸、水洗、上油、干燥致密化和蒸汽牵伸，得到具有皮芯结构的前驱体纤维；(3)将所述前驱体纤维依次进行预氧化、碳化和石墨化，得到复合碳纤维。采用该方法可以制备得到径向石墨化差异小的复合碳纤维，并且在较低石墨化温度下该复合碳纤维同时具有优异的拉伸强度和拉伸模量。的拉伸强度和拉伸模量。的拉伸强度和拉伸模量。

【技术实现步骤摘要】
复合碳纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维领域，具体涉及一种复合碳纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚丙烯腈基碳纤维及其复合材料是国防和国民经济领域大力发展的新型材料，随着航空航天飞行器的不断发展，对碳纤维性能要求不断提高。由于外太空环境极其恶劣，温差变化可达数百度，飞行器外形发生形变，很可能无法完成其执行的重要任务，因而要求碳纤维受力后变形越小越好，即要求碳纤维石墨化程度越高越好。
[0003]提高碳纤维石墨化程度的有效措施是经过高温碳化以及石墨化处理，现有研究证实了高温处理后的碳纤维横截面的结构和性能存在差异，如微晶尺寸大小差异、石墨化程度差异等，这主要是由于受PAN碳纤维横截面径向反应和结构转变差异的影响，碳纤维径向石墨化转变程度不同，纤维皮层石墨化程度高、纤维芯部石墨化程度低，因而碳纤维径向性能存在皮芯差异。碳纤维力学性能与纤维截面积有关，由于径向结构的差异，造成力学性能整体降低。提高碳纤维力学性能，就要提高碳纤维径向结构的均质性。采用相对低的石墨化温度和较长的处理时间，可以减小碳纤维皮芯石墨化程度的差异，但不能完全消除不均质的碳纤维皮芯结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种复合碳纤维及其制备方法，采用该方法可以制备得到径向石墨化差异小的复合碳纤维，并且在较低石墨化温度下该复合碳纤维同时具有优异的拉伸强度和拉伸模量。
[0005]本专利技术的一个方面提出了一种制备复合碳纤维的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：
[0006](1)提供喷头，所述喷头包括内通道和外通道，所述外通道环绕所述内通道的外围设置，将聚丙烯腈溶液通入所述外通道，将包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液通入所述内通道进行纺丝，得到芯层包括聚丙烯腈和中间相沥青，皮层包括聚丙烯腈的初生纤维；
[0007](2)将所述初生纤维依次进行沸水牵伸、水洗、上油、干燥致密化和蒸汽牵伸，得到具有皮芯结构的前驱体纤维；
[0008](3)将所述前驱体纤维依次进行预氧化、碳化和石墨化，得到复合碳纤维。
[0009]优选地，所述聚丙烯腈溶液的质量浓度为10％～20％。
[0010]优选地，所述包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液中，所述聚丙烯腈和中间相沥青的质量比为1：(2～4)。
[0011]优选地，所述包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液中，所述聚丙烯腈和中间相沥青的总质量浓度为12％～24％。
[0012]优选地，所述内通道的内径为0.16～0.19mm，所述内通道的外径为0.30～0.35mm，
所述外通道的内径为0.50～0.60mm，所述外通道的外径为0.70～0.80mm。
[0013]优选地，所述聚丙烯腈溶液通入所述外通道的线速度为60m/h～80m/h。
[0014]优选地，所述包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液通入所述内通道的线速度为100m/h～120m/h。
[0015]优选地，所述预氧化处理的温度为200℃～280℃，处理时间为80分钟～100分钟。
[0016]优选地，所述碳化处理包括低温碳化和高温碳化处理，所述低温碳化温度为350℃～700℃，处理时间为2分钟～3分钟，所述高温碳化温度为1100℃～1600℃，处理时间为1分钟～2分钟。
[0017]优选地，所述石墨化处理的温度为1800℃～2400℃，处理时间为40秒～80秒。
[0018]本专利技术的第二个方面提出了一种复合碳纤维，所述复合碳纤维采用上述的方法制备得到。
[0019]与现有技术相比，本申请的制备复合碳纤维的方法采用具有双通道的喷头，即外通道通入聚丙烯腈溶液，内通道通入包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液，然后经喷头后进行纺丝，得到以聚丙烯腈和中间相沥青混合液为芯层，聚丙烯腈为皮层的初生纤维，再依次进行沸水牵伸、水洗、上油、干燥致密化和蒸汽牵伸，得到具有皮芯结构的前驱体纤维，最后经预氧化、碳化和石墨化，由于芯层的中间相沥青易于形成石墨化结构，其具有较高的拉伸模量，而位于皮层的聚丙烯腈易于成纤且热处理形成的乱层石墨结构具有较高的拉伸强度，因此具有皮芯结构的前驱体纤维经碳化和石墨化后，可以提高芯层的石墨化程度，降低复合碳纤维径向石墨化差异，即得到径向石墨化均质的复合碳纤维。由于纤维径向结构均质，可以在较低石墨化温度下得到较高拉伸模量碳纤维，由于石墨化温度低，碳纤维拉伸强度较高。同时由于聚丙烯腈碳纤维由石墨化程度相对较低的乱层石墨结构组成，而该类碳纤维具有相对较高的拉伸强度，而中间相沥青碳纤维具有较为规整的类石墨结构，因此具有更高的拉伸模量和导电导热特性，由此采用本申请的方法可以在较低石墨化温度下得到同时具有拉伸强度和拉伸模量优异的复合碳纤维。
附图说明
[0020]图1是喷头的结构示意图；
[0021]图2是实施例1所得复合碳纤维径向不同位置的拉曼谱图；
[0022]图3是对比例所得碳纤维径向不同位置的拉曼谱图；
[0023]图4是实施例1所得复合碳纤维和对比例碳纤维径向R值分布比较图；
[0024]图5是实施例2所得复合碳纤维和对比例碳纤维径向R值分布比较图；
[0025]图6是实施例3所得复合碳纤维和对比例碳纤维径向R值分布比较图；
[0026]图7是实施例4所得复合碳纤维和对比例碳纤维径向R值分布比较图；
[0027]图8是实施例5所得复合碳纤维和对比例碳纤维径向R值分布比较图。
具体实施方式
[0028]下面通过结合实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。
[0029]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备复合碳纤维的方法。根据本专利技术的
实施例，该方法包括：
[0030]S1：提供喷头，所述喷头包括内通道和外通道，所述外通道环绕所述内通道的外围设置，将聚丙烯腈溶液通入所述外通道，将包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液通入所述内通道进行纺丝
[0031]该步骤中，将聚丙烯腈粉末与溶剂二甲基甲酰胺按质量比为10～20：80～90混合，搅拌均匀，在室温下溶胀20～24小时，然后在50～60℃下加热搅拌2～4h，得到质量浓度为10％～20％的聚丙烯腈溶液作为外通道溶液。专利技术人发现，若聚丙烯腈溶液浓度低于10％，容易形成多孔、疏松的纤维结构，而若聚丙烯腈溶液浓度高于20％，溶液粘度过大物料输送困难，同时大分子容易缠结难于拉伸使纤维取向。由此，本申请采用质量浓度为10％～20％的聚丙烯腈溶液作为外通道溶液，可以提高最终所得复合碳纤维的拉伸强度。
[0032]同时将聚丙烯腈粉末与中间相沥青粉末按质量比1:2～4混合。专利技术人发现，若聚丙烯腈含量过高，混合液易出现凝胶影响稳定纺丝，而中间相沥青含量过高，影响混合液成纤性。由此，本申请将聚丙烯腈粉末与中间相沥青粉末按质量比1:2～4混合，不仅易于混合液成纤，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备复合碳纤维的方法，其特征在于，包括：(1)提供喷头，所述喷头包括内通道和外通道，所述外通道环绕所述内通道的外围设置，将聚丙烯腈溶液通入所述外通道，将包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液通入所述内通道进行纺丝，得到芯层包括聚丙烯腈和中间相沥青，皮层包括聚丙烯腈的初生纤维；(2)将所述初生纤维依次进行沸水牵伸、水洗、上油、干燥致密化和蒸汽牵伸，得到具有皮芯结构的前驱体纤维；(3)将所述前驱体纤维依次进行预氧化、碳化和石墨化，得到复合碳纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯腈溶液的质量浓度为10％～20％。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液中，所述聚丙烯腈和中间相沥青的质量比为1：(2～4)。4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述包括聚丙烯腈和中间相沥青的混合液中，所述聚丙烯腈和中间相沥青的总质量浓度为12％～24％。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷头喷口处的内通道的内径为0.16～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：李常清，周铮钰，徐樑华，张珂，童元建，曹维宇，赵振文，王宇，高爱君，王梦梵，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：