專利名稱：高強度粘膠碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可應(yīng)用于高技術(shù)燒蝕材料、特殊電磁功能性碳纖維、生物相容性復(fù)合材料、生物相容性的活性炭纖維和活性炭布等領(lǐng)域的高強度粘膠碳纖維的制備方法。
在現(xiàn)有粘膠碳纖維的制備方法中，如未經(jīng)過超高溫石墨化過程，所得的碳纖維的抗拉強度較低，一般為1.2GPa左右，這限制了其在一般結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料中的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于提供一種可以將粘膠碳纖維的抗拉強度大大提高，可以擴大其應(yīng)用領(lǐng)域的高強度粘膠碳纖維的制備方法。
該方法包括以下步驟①原料預(yù)處理(酸洗、水洗、干燥)；②催化劑溶液浸漬；③100-280℃低溫空氣預(yù)氧化；④300-1000℃中溫炭化；⑤在1300℃高溫炭化。其特征在于催化劑溶液的組成為5-30％的混合胺類和0.1-2.0％非離子表面活性劑的水溶液，浸漬時間為0.5-4分鐘。
所述的混合胺催化劑包括氯化銨、二乙撐三胺、乙二胺、六亞甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基對苯二胺等類化合物中的一種至數(shù)種。
所述非離子表面活性劑包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一種至數(shù)種。
空氣預(yù)氧化爐分為2到3個溫區(qū)，最高溫度為280℃。上述的催化劑溶液漬和空氣預(yù)氧化為一串聯(lián)的連續(xù)過程。這樣得到的纖維為深褐色柔軟而松散的預(yù)氧絲。上述的預(yù)氧絲進入炭化處理過程。炭化分為中溫炭化和高溫炭化，中溫炭化分為3到4個溫區(qū)，其最高溫度分別為1000℃；高溫炭化溫度為1300℃。每一步炭化過程均通有流動的氮氣并采用嚴(yán)格的氮氣氣封。
如在預(yù)氧化中期通過涂層，在纖維表面引入有機聚合物先驅(qū)體，如聚碳硅烷的甲苯溶液，經(jīng)預(yù)氧化和中溫、高溫炭化后最終可得到具有特殊電磁功能性的復(fù)合涂層碳纖維。
本發(fā)明既能使粘膠纖維在較低的溫度下生成預(yù)氧絲，又能使纖維在隨后的高溫炭化處理過程中始終保持柔軟和松散。經(jīng)此法制備的粘膠碳纖維柔軟，黑亮，含碳量約為95％，不引入任何金屬雜質(zhì)，抗拉強度為1.6-1.8GPa，纖維平均直徑為4-7μm，密度為1.55-1.60g/cm3。纖維的各項性能穩(wěn)定，工藝重復(fù)性好。
實施例1以氯化胺和乙二胺(1∶0.5)作為混合胺；以O(shè)P和聚乙二醇(1∶1)作為表面活性劑配制成混合催化劑水溶液。胺類總濃度為20％；表面活性劑總濃度為0.2％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經(jīng)酸洗去膠干燥，進入上述催化劑溶液浸漬0.5分鐘，空氣預(yù)氧化爐溫區(qū)分別為100℃和260℃，得到預(yù)氧絲。上述的預(yù)氧絲進入中溫炭化處理過程，溫區(qū)分別為350℃,600℃,1000℃。隨后在1300℃進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.6GPa，平均直徑為5.1μm。
實施例2以碘化胺和二乙撐三胺(1∶0.3)作為混合胺；以O(shè)P和TX-100(1∶1)作為表面活性劑配制成混合催化劑水溶液。胺類總濃度為5％；表面活性劑總濃度為1％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經(jīng)酸洗去膠干燥，然后在步進電機牽引下，進入上述催化劑溶液浸漬2分鐘。經(jīng)空氣預(yù)氧化爐(溫區(qū)分別為100℃和170℃)得到預(yù)氧絲。上述的預(yù)氧絲進入炭化處理過程。在溫區(qū)分別為300℃,450℃,600℃,1000℃進行中溫炭化；在1300℃進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.8GPa，平均直徑為6.1μm。
實施例3以28％N,N-二甲基對苯二胺水溶液和OP和TX-100(1∶1)表面活性劑配制成混合催化劑水溶液。表面活性劑總濃度為1.8％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經(jīng)酸洗去膠干燥，連續(xù)進入上述催化劑溶液浸漬4分鐘。進入溫區(qū)分別為100℃,160℃,230℃的空氣預(yù)氧化爐進行預(yù)氧化，得到預(yù)氧絲。在溫區(qū)分別300℃,450℃,1000℃的中溫炭化爐進行炭化，在1300℃下進行高溫炭化。得到柔軟黑亮的粘膠碳纖維。此碳纖維的抗拉強度為1.6GPa，平均直徑為4.5μm。
實施例4以10％吡啶和2％六亞甲基四胺的水溶液和聚乙烯醇和TX-100(1∶1)表面活性劑配制成混合催化劑水溶液。表面活性劑總濃度為0.8％。以高強粘膠絲為起始原料，以多束合股方式經(jīng)酸洗去膠干燥，連續(xù)進入上述催化劑溶液浸漬4分鐘，經(jīng)150℃空氣預(yù)氧化后，連續(xù)進入聚碳硅烷的甲苯溶液槽，干燥后，每根纖維表面均勻涂上一層聚碳硅烷。隨后繼續(xù)進入200℃和260℃預(yù)氧化，得到涂層的預(yù)氧絲。連續(xù)通過管式炭化爐(溫區(qū)分別300℃、450℃、1000℃)進行中溫炭化，在1300℃高溫炭化。得到柔軟黑亮的碳化硅涂層的粘膠碳纖維。此碳纖維含有5％的碳化硅和少量氧化硅，分布在纖維表面并梯度狀地滲入到纖維內(nèi)部。纖維的抗拉強度為1.5GPa，平均直徑為6.5μm，電阻率從未經(jīng)過聚碳硅烷處理的10-4ΩM增大為10-2ΩM，并顯示出良好的微波(X-波段)吸收性能。
權(quán)利要求
1.高強度粘膠碳纖維的制備方法，包括以下步驟①原料預(yù)處理(酸洗、水洗、干燥)；②催化劑溶液浸漬；③100-280℃低溫空氣預(yù)氧化；④300-1000℃中溫炭化；⑤在1300℃高溫炭化，其特征在于催化劑溶液的組成為5-30％的混合胺類和0.1-2.0％非離子表面活性劑的水溶液，浸漬時間為0.5-4分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的制備方法，其特征在于所述的混合胺催化劑包括氯化銨、二乙撐三胺、乙二胺、六亞甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基對苯二胺等類化合物中的一種至數(shù)種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的制備方法，其特征在于所述非離子表面活性劑包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一種至數(shù)種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度粘膠碳纖維的制備方法，其特征在于在預(yù)氧化中期通過涂層，在纖維表面引入有機聚合物先驅(qū)體。
全文摘要
本發(fā)明公開了高強度粘膠碳纖維的制備方法。以粘膠纖維為原料，通過一種混合胺類催化劑溶液處理后，進行纖維的低溫空氣預(yù)氧化，然后逐步高溫炭化。經(jīng)此法制備的粘膠碳纖維柔軟，黑亮，含碳量約為95%，不引入任何金屬雜質(zhì)，纖維的抗拉強度為1.6－1.8GPa，平均直徑為4－7μm，密度為1.55－1.60g/cm
文檔編號C01B31/00GK1316555SQ00113268
公開日2001年10月10日 申請日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月2日
發(fā)明者李效東, 彭平, 王戈, 廖杰, 劉秀英, 何迎春, 毛曉婭 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)