本發(fā)明涉及碳纖維的，尤其是涉及一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維及其制備方法、碳纖維。

背景技術(shù)：

1、碳含量在90％以上的碳纖維，既有碳石墨材料的優(yōu)秀固有特性，又有紡織纖維的良好加工能力，例如高強(qiáng)度、高模量、耐溫性好、耐腐蝕性優(yōu)異以及密度低等的特點(diǎn)。

2、pan(聚丙烯腈)原絲在200℃-300℃溫度下進(jìn)行預(yù)氧化，得到預(yù)氧化纖維，再經(jīng)碳化、石墨化處理，從而得到碳纖維。預(yù)氧化是pan基碳纖維制備過(guò)程中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；在此過(guò)程中，纖維中發(fā)生環(huán)化、脫氫以及氧化等多種化學(xué)反應(yīng)，使得線性pan分子轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜔岱€(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)，生成類石墨結(jié)構(gòu)的sp2初始平面結(jié)構(gòu)。

3、預(yù)氧化過(guò)程中，纖維在皮部環(huán)化、氧化反應(yīng)程度高于芯部，皮部首先形成致密結(jié)構(gòu)，會(huì)阻礙氧向芯部的擴(kuò)散，這就使預(yù)氧化纖維形成不同程度的徑向結(jié)構(gòu)差異(皮芯結(jié)構(gòu))；這種徑向不均勻的結(jié)構(gòu)會(huì)遺傳給碳纖維，導(dǎo)致碳纖維力學(xué)性能降低。同時(shí)，后續(xù)碳化過(guò)程中含氧結(jié)構(gòu)在熱裂解時(shí)以co、co2等含碳小分子脫除，較高的含氧結(jié)構(gòu)一方面會(huì)導(dǎo)致纖維收率降低，另一方面碳纖維中sp3雜化形式的無(wú)序碳原子及纖維結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)增多，最終導(dǎo)致碳纖維的有序度降低。

4、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維的制備方法，能夠使預(yù)氧化纖維徑向不均勻程度和含氧結(jié)構(gòu)含量均減小。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維，預(yù)氧化纖維含氧結(jié)構(gòu)較少，在后續(xù)碳化階段氧脫除較少，有利于更規(guī)整的碳化結(jié)構(gòu)。

3、本發(fā)明的目的之三在于提供一種碳纖維，碳纖維的強(qiáng)度和模量均較高。

4、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

5、第一方面，一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維的制備方法，包括以下步驟：

6、將聚丙烯腈原絲先在抗氧化性溶液中進(jìn)行浸漬預(yù)處理，再進(jìn)行梯度預(yù)氧化處理，得到所述聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維；

7、所述梯度預(yù)氧化處理的相鄰預(yù)氧化溫區(qū)間的溫差為20℃-50℃。

8、進(jìn)一步的，所述抗氧化性溶液的濃度為2g/ml-20g/ml。

9、進(jìn)一步的，所述浸漬的時(shí)間為10s-120s。

10、進(jìn)一步的，所述抗氧化性溶液包括抗壞血酸溶液、茶多酚溶液以及檸檬酸溶液中的至少一種。

11、進(jìn)一步的，所述預(yù)氧化的氣氛包括空氣。

12、進(jìn)一步的，所述預(yù)氧化的溫度為150℃-300℃。

13、進(jìn)一步的，所述預(yù)氧化的時(shí)間為30min-120min。

14、進(jìn)一步的，所述梯度預(yù)氧化處理的方法包括以下步驟：

15、將浸漬預(yù)處理的聚丙烯腈原絲依次經(jīng)過(guò)第一預(yù)氧化溫區(qū)、第二預(yù)氧化溫區(qū)、第三預(yù)氧化溫區(qū)以及第四預(yù)氧化溫區(qū)進(jìn)行處理，得到所述聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維；

16、所述第一預(yù)氧化溫區(qū)的溫度范圍為150℃-210℃，第二預(yù)氧化溫區(qū)的溫度范圍為200℃-240℃，第三預(yù)氧化溫區(qū)的溫度范圍為230℃-270℃，第四預(yù)氧化溫區(qū)的溫度范圍為260℃-300℃。

17、第二方面，一種上述任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維。

18、第三方面，一種碳纖維，是由上述所述的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維制成的。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

20、本發(fā)明提供的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維的制備方法，將聚丙烯腈原絲先在抗氧化性溶液中進(jìn)行浸漬預(yù)處理，以使原絲中含有大量抗氧化劑，之后進(jìn)行梯度(多級(jí))預(yù)氧化處理(可以為空氣氣氛)而形成環(huán)狀梯形結(jié)構(gòu)；由于抗氧化劑存在，所以氧化反應(yīng)會(huì)受到抑制，使得預(yù)氧化纖維徑向不均勻程度和含氧結(jié)構(gòu)含量均減??；低含氧結(jié)構(gòu)的預(yù)氧化纖維具有更好的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)環(huán)狀梯形結(jié)構(gòu)排列也更整齊；預(yù)氧化初期較少的氧化反應(yīng)也有助于提高預(yù)氧化纖維的徑向均勻性，有利于減少皮芯結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

21、本發(fā)明提供的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維，預(yù)氧化纖維含氧結(jié)構(gòu)較少，在后續(xù)碳化階段氧脫除較少，有利于更規(guī)整的碳化結(jié)構(gòu)。

22、本發(fā)明提供的碳纖維，碳纖維的強(qiáng)度和模量均較高。

技術(shù)特征：

1.一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述抗氧化性溶液的濃度為2g/ml-20g/ml。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述浸漬的時(shí)間為10s-120s。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述抗氧化性溶液包括抗壞血酸溶液、茶多酚溶液以及檸檬酸溶液中的至少一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)氧化的氣氛包括空氣。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)氧化的溫度為150℃-300℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)氧化的時(shí)間為30min-120min。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述梯度預(yù)氧化處理的方法包括以下步驟：

9.一種權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維。

10.一種碳纖維，其特征在于，是由權(quán)利要求9所述的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維制成的。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維及其制備方法、碳纖維，涉及碳纖維的技術(shù)領(lǐng)域，該制備方法包括以下步驟：將聚丙烯腈原絲先在抗氧化性溶液中進(jìn)行浸漬預(yù)處理，再進(jìn)行梯度預(yù)氧化處理，得到聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維；梯度預(yù)氧化處理的相鄰預(yù)氧化溫區(qū)間的溫差為20℃?50℃。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中預(yù)氧化纖維含氧結(jié)構(gòu)調(diào)控和徑向結(jié)構(gòu)不均勻性的技術(shù)問(wèn)題，達(dá)到了氧含量可調(diào)控、具有低氧含量和徑向均勻性好的技術(shù)效果。

技術(shù)研發(fā)人員：陳晨,范寶琳,劉棟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17