一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法

摘要

一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，属于纤维技术领域。该纤维拉伸强度为4.2～6.0GPa，拉伸模量为260～310GPa。采用湿法或干湿法纺丝技术制备原丝，原丝经预氧化、碳化制得中模量高强度碳纤维，在聚丙烯腈湿法或干湿法纺丝过程中，逐级控制纤维中的溶剂含量并在此溶剂环境下对纤维进行有效牵伸，调控原丝晶区及非晶区取向度，从而制备出具有高取向度高致密性的聚丙烯腈原丝，并经预氧化碳化后制备出中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维。以溶剂含量逐级控制法调控纤维牵伸环境，逐步对凝固丝条进行牵伸，使得纤维在均质凝固的同时具有良好的取向结构，是一种新的方法。

主权项

一种具有中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，其中拉伸强度为4.2～6.0GPa，拉伸模量为260～310GPa，纤维具有圆形或近似圆形截面，直径为4～8μm；采用湿法纺丝技术制备原丝，原丝经预氧化、碳化制得中模量高强度碳纤维，其特征在于，在聚丙烯腈湿法纺丝过程中，逐级控制纤维中的溶剂含量并在此溶剂环境下对纤维进行有效牵伸，调控原丝晶区及非晶区取向度，从而制备出具有高取向度高致密性的聚丙烯腈原丝，并经预氧化碳化后制备出中模量的高强度聚丙烯腈基碳纤维，具体包括以下步骤：(1)二元或三元共聚组分纺丝原液制备将丙烯腈、衣康酸、丙烯酸甲酯按(93～99.5)：(0.5～2)：(0～5)的摩尔比共混加入到聚合反应器中，上述物质的摩尔比的总份数为100，以二甲基亚砜为溶剂，反应温度控制在50～75℃，聚合反应10～40小时，得到丙烯腈共聚物纺丝原液；(2)纺丝原液的凝固成型采用湿法纺丝，纤维经计量挤出离开喷丝孔后，进入第一级凝固浴，凝固浴温度为20～70℃，凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中二甲基亚砜体积含量50～80％，凝固时间0.5～3分钟，凝固牵伸倍率为‑0.5～3.0；凝固丝条出第一级凝固浴后，进入第二级凝固浴，凝固浴温度20～75℃，凝固浴采用二甲基亚砜水溶液，其中二甲基亚砜体积含量30～50％，凝固时间0.5～3分钟，牵伸倍率1.0～2.0；凝固丝条出第二级凝固浴后，进入第三级凝固浴，凝固浴温度20～75℃，凝固浴采用蒸馏水，凝固时间0.5～3分钟，牵伸倍率1.2～3.0；得到初生纤维；控制初生纤维晶区取向度为30～60％，非晶区取向度为20～70％；上述第一级、第二级、第三级凝固浴二甲基亚砜体积含量依次降低；(3)初生纤维预牵伸将步骤(2)得到的初生纤维在100℃水蒸汽或沸水中进行牵伸，牵伸倍率为1～8；得到预牵伸纤维，控制其晶区取向度为45～70％，非晶区取向度为40～80％；(4)预牵伸纤维水洗、上油、干燥预牵伸纤维经过热水洗涤，水洗牵伸倍率为0.95～1.05，脱除残余二甲基亚砜后，上硅油，通过热辊进行干燥致密化；致密化温度为100～150℃，干燥致密化牵伸倍率为0.95～1.05；(5)再牵伸干燥致密化后的纤维在120～180℃温度下进行再牵伸，牵伸倍率为1.2～6，牵伸环境为120‑160℃的水蒸汽介质，控制其晶区取向度为80～93％，非晶区取向度为70～90％；(6)热定型步骤(5)再牵伸后的丝条在再牵伸温度±20℃条件下进行热定型，牵伸比0.9～1.0，得到原丝，控制其晶区取向度为80～93％，非晶区取向度为70～90％；(7)热稳定化热稳定化过程在空气气氛下，采用逐级升温法实施，起始温度150℃～220℃，最终温度250～300℃，分2～8个温区对原丝进行热稳定化处理，纤维牵伸比1.0～1.2，热稳定化总处理时间为30～150分钟；(8)低温碳化步骤(7)得到的热稳定化纤维进入高纯氮环境气氛下的低温碳化炉进行低温碳化，温度350℃～950℃，停留时间1.5～6分钟，牵伸比0.9～1.2，所述的高纯氮环境为氮气中氧含量低于5PPm；(9)高温碳化经步骤(8)得到的纤维进行高温碳化处理，采用高纯氮气作为保护气，氮气中氧含量1PPm以下，碳化温度为1000～1500℃，碳化停留时间为1～4分钟。