专利名称：高强度粘胶碳纤维的制备方法
技术领域：
本发明涉及可应用于高技术烧蚀材料、特殊电磁功能性碳纤维、生物相容性复合材料、生物相容性的活性炭纤维和活性炭布等领域的高强度粘胶碳纤维的制备方法。
在现有粘胶碳纤维的制备方法中，如未经过超高温石墨化过程，所得的碳纤维的抗拉强度较低，一般为1.2GPa左右，这限制了其在一般结构性复合材料中的应用。
本发明的目的在于提供一种可以将粘胶碳纤维的抗拉强度大大提高，可以扩大其应用领域的高强度粘胶碳纤维的制备方法。
该方法包括以下步骤①原料预处理(酸洗、水洗、干燥)；②催化剂溶液浸渍；③100-280℃低温空气预氧化；④300-1000℃中温炭化；⑤在1300℃高温炭化。其特征在于催化剂溶液的组成为5-30％的混合胺类和0.1-2.0％非离子表面活性剂的水溶液，浸渍时间为0.5-4分钟。
所述的混合胺催化剂包括氯化铵、二乙撑三胺、乙二胺、六亚甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基对苯二胺等类化合物中的一种至数种。
所述非离子表面活性剂包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一种至数种。
空气预氧化炉分为2到3个温区，最高温度为280℃。上述的催化剂溶液渍和空气预氧化为一串联的连续过程。这样得到的纤维为深褐色柔软而松散的预氧丝。上述的预氧丝进入炭化处理过程。炭化分为中温炭化和高温炭化，中温炭化分为3到4个温区，其最高温度分别为1000℃；高温炭化温度为1300℃。每一步炭化过程均通有流动的氮气并采用严格的氮气气封。
如在预氧化中期通过涂层，在纤维表面引入有机聚合物先驱体，如聚碳硅烷的甲苯溶液，经预氧化和中温、高温炭化后最终可得到具有特殊电磁功能性的复合涂层碳纤维。
本发明既能使粘胶纤维在较低的温度下生成预氧丝，又能使纤维在随后的高温炭化处理过程中始终保持柔软和松散。经此法制备的粘胶碳纤维柔软，黑亮，含碳量约为95％，不引入任何金属杂质，抗拉强度为1.6-1.8GPa，纤维平均直径为4-7μm，密度为1.55-1.60g/cm3。纤维的各项性能稳定，工艺重复性好。
实施例1以氯化胺和乙二胺(1∶0.5)作为混合胺；以OP和聚乙二醇(1∶1)作为表面活性剂配制成混合催化剂水溶液。胺类总浓度为20％；表面活性剂总浓度为0.2％。以高强粘胶丝为起始原料，以多束合股方式经酸洗去胶干燥，进入上述催化剂溶液浸渍0.5分钟，空气预氧化炉温区分别为100℃和260℃，得到预氧丝。上述的预氧丝进入中温炭化处理过程，温区分别为350℃,600℃,1000℃。随后在1300℃进行高温炭化。得到柔软黑亮的粘胶碳纤维。此碳纤维的抗拉强度为1.6GPa，平均直径为5.1μm。
实施例2以碘化胺和二乙撑三胺(1∶0.3)作为混合胺；以OP和TX-100(1∶1)作为表面活性剂配制成混合催化剂水溶液。胺类总浓度为5％；表面活性剂总浓度为1％。以高强粘胶丝为起始原料，以多束合股方式经酸洗去胶干燥，然后在步进电机牵引下，进入上述催化剂溶液浸渍2分钟。经空气预氧化炉(温区分别为100℃和170℃)得到预氧丝。上述的预氧丝进入炭化处理过程。在温区分别为300℃,450℃,600℃,1000℃进行中温炭化；在1300℃进行高温炭化。得到柔软黑亮的粘胶碳纤维。此碳纤维的抗拉强度为1.8GPa，平均直径为6.1μm。
实施例3以28％N,N-二甲基对苯二胺水溶液和OP和TX-100(1∶1)表面活性剂配制成混合催化剂水溶液。表面活性剂总浓度为1.8％。以高强粘胶丝为起始原料，以多束合股方式经酸洗去胶干燥，连续进入上述催化剂溶液浸渍4分钟。进入温区分别为100℃,160℃,230℃的空气预氧化炉进行预氧化，得到预氧丝。在温区分别300℃,450℃,1000℃的中温炭化炉进行炭化，在1300℃下进行高温炭化。得到柔软黑亮的粘胶碳纤维。此碳纤维的抗拉强度为1.6GPa，平均直径为4.5μm。
实施例4以10％吡啶和2％六亚甲基四胺的水溶液和聚乙烯醇和TX-100(1∶1)表面活性剂配制成混合催化剂水溶液。表面活性剂总浓度为0.8％。以高强粘胶丝为起始原料，以多束合股方式经酸洗去胶干燥，连续进入上述催化剂溶液浸渍4分钟，经150℃空气预氧化后，连续进入聚碳硅烷的甲苯溶液槽，干燥后，每根纤维表面均匀涂上一层聚碳硅烷。随后继续进入200℃和260℃预氧化，得到涂层的预氧丝。连续通过管式炭化炉(温区分别300℃、450℃、1000℃)进行中温炭化，在1300℃高温炭化。得到柔软黑亮的碳化硅涂层的粘胶碳纤维。此碳纤维含有5％的碳化硅和少量氧化硅，分布在纤维表面并梯度状地渗入到纤维内部。纤维的抗拉强度为1.5GPa，平均直径为6.5μm，电阻率从未经过聚碳硅烷处理的10-4ΩM增大为10-2ΩM，并显示出良好的微波(X-波段)吸收性能。
权利要求
1.高强度粘胶碳纤维的制备方法，包括以下步骤①原料预处理(酸洗、水洗、干燥)；②催化剂溶液浸渍；③100-280℃低温空气预氧化；④300-1000℃中温炭化；⑤在1300℃高温炭化，其特征在于催化剂溶液的组成为5-30％的混合胺类和0.1-2.0％非离子表面活性剂的水溶液，浸渍时间为0.5-4分钟。
2.根据权利要求1所述的高强度粘胶碳纤维的制备方法，其特征在于所述的混合胺催化剂包括氯化铵、二乙撑三胺、乙二胺、六亚甲基四胺、吡啶、N,N-二甲基对苯二胺等类化合物中的一种至数种。
3.根据权利要求1所述的高强度粘胶碳纤维的制备方法，其特征在于所述非离子表面活性剂包括TX-100、OP、聚乙二醇、聚乙烯醇一种至数种。
4.根据权利要求1所述的高强度粘胶碳纤维的制备方法，其特征在于在预氧化中期通过涂层，在纤维表面引入有机聚合物先驱体。
全文摘要
本发明公开了高强度粘胶碳纤维的制备方法。以粘胶纤维为原料，通过一种混合胺类催化剂溶液处理后，进行纤维的低温空气预氧化，然后逐步高温炭化。经此法制备的粘胶碳纤维柔软，黑亮，含碳量约为95%，不引入任何金属杂质，纤维的抗拉强度为1.6－1.8GPa，平均直径为4－7μm，密度为1.55－1.60g/cm
文档编号C01B31/00GK1316555SQ00113268
公开日2001年10月10日 申请日期2000年2月2日 优先权日2000年2月2日
发明者李效东, 彭平, 王戈, 廖杰, 刘秀英, 何迎春, 毛晓娅 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学