一種抑制碳纖維結構不均勻性的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于材料學技術領域，尤其涉及一種碳材料，具體來說是涉及一種抑制碳 纖維結構不均勻性的方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維是一種典型的高性能纖維，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲 勞、抗輻射、導電、傳熱、減震、低密度和可加工性高等優點。目前，碳纖維已廣泛應用于航天 航空、國防軍事等尖端領域和高級體育用品、醫療器械等民用行業，隨著國家產業經濟的升 級，碳纖維將發揮越來越重要的作用。PAN纖維是生產高性能碳纖維最有前途的前驅體，利 用PAN纖維制備的碳纖維綜合性能最好，生產工藝簡單。
[0003] PAN基碳纖維的制備過程，首先是通過聚合反應，將主成分單體丙烯腈和其他共聚 單體進行聚合，獲得具有大分子鏈狀結構的聚合物;然后通過紡絲成型過程，獲得具有一定 凝聚態結構的PAN原絲；隨后將PAN纖維在200-300°C的空氣氣氛條件下，進行熱穩定化處理 (也稱作預氧化處理），使分子鏈中的腈基側基進行分子內和分子間的交聯，以形成穩定的 梯型聚合物網絡結構，從而使纖維在碳化過程中能夠保持其形態;接下來將預氧化纖維在 惰性氣氛保護下，經350-1600°C的碳化處理，脫除非碳元素后得到碳纖維。對于聚丙烯腈基 碳纖維的碳化階段，主要發生的是由預氧纖維中梯形環狀結構向亂層石墨結構轉變的過 程，在惰性氣體保護下，非碳元素的不斷脫除中伴隨著復雜的熱分解和熱縮聚反應。
[0004] 目前生產的碳纖維性能不佳，其整體結構的不均勻性（即皮芯結構)是造成其性能 降低的主要原因。碳纖維的皮芯結構形成主要有三個方面:遺傳于PAN原絲;預氧化過程中 溫度梯度及氧的擴散問題;炭化過程中的溫度梯度。在傳統炭化工藝過程中，炭化加熱方式 是根據熱傳導、對流和輻射原理使熱量從外部傳至碳纖維內部，碳纖維不可避免地存在溫 度梯度，使纖維加熱不均勻，從而產生皮芯結構。皮芯現象是造成碳纖維結構不均勻的主要 問題，一直以來眾多研究都致力于解決這個問題。另外，傳統的傳熱方式達到熱平衡需要較 長的時間，長時間加熱造成散失熱量大，使生產耗時耗能。
【發明內容】
[0005] 針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明的目的是提供一種抑制碳纖維結構不均 勻性的方法，該方法可以解決現有技術在對聚丙烯腈纖維炭化過程中產生皮芯現象而導致 碳纖維結構不均勻、碳纖維質量降低的問題，也可有效縮短碳纖維的炭化生產時間和成本。
[0006] 微波加熱技術是通過材料科學與微波技術的交叉結合而發展出的一種新型的快 速加熱技術。微波加熱是基于物質與電磁場相互作用中產生熱效應的原理，當材料的基本 細微結構與特定頻率的電磁場耦合時，內部微觀粒子響應電磁振蕩，熱運動加劇，材料發生 介質損耗，吸收微波能轉化為熱能。炭化處理采用微波加熱法，通過高頻電磁的高速變化使 分子間摩擦產生熱能，使預氧化纖維整體被均勻加熱，所得的碳纖維結構均勻。另外微波加 熱方式可使碳纖維的炭化反應更充分，可有效縮短工藝過程生產時間和成本。
[0007] 本發明提供的一種抑制碳纖維結構不均勻性的方法，其具體步驟如下：
[0008] (1)將纖維原絲放入管式爐中進行預氧化處理，空氣氣氛，預氧化溫度控制在250-300°C，升溫速率控制在l_5°C/min，在預氧化溫度下保溫60-180min，冷卻至室溫后得到預 氧化纖維；
[0009] (2)在惰性氣體保護下，將上述預氧化纖維放入微波加熱爐中，通過微波加熱進行 炭化處理；其中：炭化溫度為600-1600°C，升溫速率為l_40°C/min，在炭化溫度下保溫 60min，樣品轉速為l_15r/min。
[0010] 進一步的，步驟（1)中所述纖維原絲來源于聚丙烯腈基纖維，將其纏繞在陶瓷棒 上，兩端用環氧膠固定。
[0011] 進一步的，步驟(2)中所述惰性氣體選自氮氣、氬氣、氦氣或其組合；
[0012] 進一步的，步驟（2)中所述炭化溫度需測溫環進行溫度校正，將測溫環用步驟（1) 所得預氧化纖維包裹住。
[0013] 本發明和已有技術相比，其技術進步是顯著的。本發明的一種抑制碳纖維結構不 均勻性的方法與現有方法相比，由于是微波加熱炭化，熱源來自碳纖維自身，加熱均勻，有 效的解決了纖維炭化中出現皮芯結構的技術問題，制得了整體結構均勻的碳纖維，從而提 高了碳纖維的性能。另外，微波加熱使纖維炭化反應更充分，從而也有效縮短了工藝過程的 生產時間和成本。
【附圖說明】
[0014] 圖1是碳纖維截面的拉曼和SEM-EDS線掃描測試示意圖。
[0015] 圖2是實施例1所得微波加熱碳纖維與對比例1所得傳統加熱碳纖維的截面拉曼 Id/Ig值圖。
[0016] 圖3是實施例1所得微波加熱碳纖維與對比例1所得傳統加熱碳纖維的SEM-EDS圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面通過實施例并結合附圖對本發明作進一步闡述，但并不限制本發明。
[0018] 碳纖維拉曼分析采用英國雷尼紹公司的INVIA型共焦顯微拉曼光譜儀，激發波長 633nm。通常利用拉曼光譜對碳纖維的微觀結構進行了解，在拉曼分析中，主要由位于 1580CHT 1處的G峰和位于1360CHT1處的D峰相對強度比值R大小來判斷石墨化程度和結構完 整的程度，如公式(1)所示：
[0019] R=Id/Ig (1)
[0020] R值越小代表石墨化程度越高。將碳纖維截面沿直徑打點做Mapping得出碳纖維截 面的碳化程度分布圖，即R值分布情況，可以了解碳纖維結構的均勻程度。掃描示意圖如圖1 所示，沿纖維橫截面線掃描，測試點為6個。
[0021] 采用HITACHI公司S-3400N型場發射掃描電鏡（SEM)觀察纖維的橫截面形貌，并采 用X光微區分析(EDS)對纖維橫截面的碳含量進行測試。掃描示意圖如圖1所示，沿纖維橫截 面線掃描，測試點為6個。
[0022] 纖維剪碎研磨后，采用ELEMENTAR公司Vario Micro cube型有機元素分析儀對纖 維進行元素分析測試。
[0023] 實施例1
[0024] (1)將聚丙烯腈基纖維纏繞在陶瓷棒上，兩端用環氧膠固定，放入管式爐中進行預 氧化處理，空氣氣氛，預氧化溫度控制在270°C，升溫速率控制在l°C/min，在預氧化溫度下 保溫60min，冷卻至室溫后得到預氧化纖維。
[0025] (2)在氬氣氣氛中，將上述預氧化纖維放入微波加熱爐中，直接由微波加熱進行炭 化處理。將測溫環用步驟（1)所得預氧化