一種低表面缺陷碳纖維的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明拉伸強度和復合材料加工技術領域，尤其是涉及一種低表面缺陷碳纖維的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫等優異性能，復合材料由于其可設計性，在結構和功能上可滿足客戶的多樣化需求。因此碳纖維復合材料具有輕質、高強、高剛性、耐腐蝕、可設計、整體成型等特點，在航空航天、能源電力、交通運輸、汽車、土木建筑、海洋工程、高檔體育運動等領域廣泛應用。
[0003]碳纖維是脆性材料，拉伸強度受缺陷控制，缺陷越少，缺陷尺寸越小，碳纖維的拉伸強度越高。碳纖維缺陷包括內部缺陷和表面缺陷，同等尺寸的缺陷，表面缺陷對拉伸強度的影響大于內部缺陷，內部缺陷主要是內部孔洞，由擴散不均產生的皮芯和預氧化不足或過度導致的碳化燒損引起的；表面缺陷主要是表面溝槽以及劃痕等，在承受拉伸應力時，纖維表面的溝槽處產生應力集中，成為斷裂源，因此表面光滑的碳纖維更容易獲得高的拉伸性能。
[0004]在濕紡紡絲工藝中，由于出口膨脹效應，紡絲液細流經噴絲板噴出后，直徑急劇增大，膨脹體進入凝固浴后，形成致密、堅硬的皮層。在隨后的軸向牽伸作用下，纖維細旦化，皮層發生塌陷、褶皺，表現為表面的溝槽。原絲表面的溝槽在預氧化和碳化過程中“遺傳”給碳纖維。在干噴濕紡工藝中，聚合物細流在空氣段實現細旦化，進入凝固浴后，纖維進行雙向擴散，兩相分離，絲束凝固成型，纖維表面光滑，無明顯溝槽，因此光滑表面的原絲是制備低表面缺陷碳纖維的重要條件。
[0005]聚丙烯腈原絲在預氧化過程中發生環化反應，致密的皮層影響氧向纖維芯部的擴散，形成“皮芯”結構。干噴濕紡原絲與濕紡原絲相比表面光滑，比表面積小，更容易形成“皮芯”結構。干噴濕紡聚丙烯腈原絲表面光滑，絲束間單絲容易積聚，不利于預氧化過程中的散熱，造成絲束內局部過熱。

【發明內容】

[0006]為克服上述問題，本發明采用如下技術方案:
一種低表面缺陷碳纖維的制備方法，驅體采用的是干噴濕紡聚丙烯腈原絲，包括:
(O預氧化階段:原料聚丙烯腈原絲在180~300°c的條件下在預氧化爐中進行預氧化反應，采用梯度預氧化溫度設置，溫區數量在2~30個之間，預氧化反應時間為30~80min，牽伸率為-20~10%，牽伸量為_20~10%，聚丙烯腈絲束張力為5~30N之間；
(2)預碳化階段:預氧化的聚丙烯腈絲束發生熱解反應，分子鏈上的O以CO、C02、H20等小分子形式脫除，分子鏈末端為環化的-CN以低聚物形式脫除，纖維發生約45%的失重；在此階段，纖維結構由梯形結構轉變為網狀結構，發生收縮，纖維結構轉變，此時預碳化時間為45~180S，牽伸量為_10~10%，絲束張力為5~20N之間； (3)碳化階段:將步驟(2)中預碳化聚丙烯腈絲束，即纖維，置于在1000~1400°C的條件下，采用梯度升溫方式，分子鏈上殘留的N部分以NH3等脫除，纖維結構由網狀結構轉變為亂層石墨結構，碳化時間為45~180S，牽伸量為-10~0%，張力為10~50N之間；
(4)碳化階段獲得的纖維經過表面處理、上漿、干燥、卷繞制得碳纖維成品。
[0007]所述干噴濕紡聚丙稀腈原絲，纖度為0.9~1.2dtex，一束為12000根單絲，原絲表面光滑、無明顯溝槽。
[0008]優選地，所述預氧化反應溫度為200~270°C。
[0009]優選地，所述預氧化反應時間為30~50min。
[0010]優選地，所述牽伸量為-20~-10%，絲束張力為10~20N。
[0011]優選地，所述牽伸量為_5~5%，絲束張力為5~15N。
[0012]優選地，所述碳化反應時間為60~90S。
[0013]所述步驟中所制得的碳纖維截面為標準圓形。
[0014]所述碳纖維含碳量94%以上，碳纖維直徑6~8 μ mo
[0015]所述碳纖維拉伸強度4.9GPa以上，拉伸模量225~240GPa，斷裂延伸率2.0%以上。
[0016]本發明的優點是:通過優化預氧化、碳化過程中組織結構轉變，有效避免纖維在牽伸時被拉斷，提高產品的質量和強度。
【具體實施方式】
[0017]一種低表面缺陷碳纖維的制備方法，驅體采用的是干噴濕紡聚丙烯腈原絲，包括:
(O預氧化階段:原料聚丙烯腈原絲在180~300°c的條件下在預氧化爐中進行預氧化反應，采用梯度預氧化溫度設置，溫區數量在2~30個之間，預氧化反應時間為30~80min，牽伸率為-20~10%，牽伸量為_20~10%，聚丙烯腈絲束張力為5~30N之間；
(2)預碳化階段:步驟(I)中獲得的預氧化聚丙烯腈絲束發生熱解反應，分子鏈上的O以CO、C02、H20等小分子形式脫除，分子鏈末端為環化的-CN以低聚物形式脫除，纖維發生約45%的失重；在此階段，纖維結構由梯形結構轉變為網狀結構，發生收縮，纖維結構轉變，此時預碳化時間為45~180S，牽伸量為_10~10%，絲束張力為5~20N之間；
(3)碳化階段:將步驟(2)中預碳化聚丙烯腈絲束，即纖維，置于1000~1400°C的條件下，采用梯度升溫方式，分子鏈上殘留的N部分以NH3等脫除，纖維結構由網狀結構轉變為亂層石墨結構，碳化時間為45~180S，牽伸量為-10~0%，張力為10~50N之間；
(4)碳化階段獲得的纖維經過表面處理、上漿、干燥、卷繞制得碳纖維成品。
[0018]下面以具體實施例來說明本技術方案的實施:
實施例1:
采用干噴濕紡工藝制備原絲，原絲纖度為l.0dtex，一束絲總根數為12000根，預氧化溫度為200-280°C，預氧化時間為55min，預氧化牽伸為-10%，預氧化絲束張力為20N，預碳化牽伸為1%，碳化牽伸為-4 ~ _6%，碳化溫度為1400°C，采用陽極氧化法進行電解表面處理，所得碳纖維拉伸強度為4.93GPa,拉伸模量為232GPa，含碳量為94.7%，纖維直徑為6.5 μ m0
[0019]實施例2: 采用干噴濕紡工藝制備原絲，原絲纖度為l.0dtex，一束絲總根數為12000根，預氧化溫度為200-260°C，預氧化時間為65min，預氧化牽伸為-10%，預氧化絲束張力為19N，預碳化牽伸為1%，碳化牽伸為_5%，碳化溫度為1400°C，采用陽極氧化法進行電解表面處理，所得碳纖維拉伸強度為5.28GPa