新專利的關(guān)鍵內(nèi)容

該技術(shù)核心點在于熱處理過程中實現(xiàn)纖維單根絲束受熱均勻，具實施途徑為：以絲束規(guī)格36K的干噴濕紡PAN原絲為原料，首先進行8-25分鐘的預(yù)氧化處理，經(jīng)過紅外光譜儀檢測，纖維1453cm^-1處紅外吸收強度與1370cm^-1處吸收強度比值為0.98-1.10后，進行第二段預(yù)氧化處理，處理時間為20-35min，處理后纖維1453cm^-1處紅外吸收強度與1370cm^-1處吸收強度比值為0.6-0.65，以及1254cm^-1處紅外吸收強度與1370cm^-1處吸收強度比值為0.50-0.65，隨后在溫度500-1000℃惰性氣氛、牽伸比1.0-1.1工藝下進行低溫碳化處理，最后經(jīng)過1000-2000℃高溫碳化處理制備得到上述性能碳纖維。實施例中主要工藝參數(shù)如表1所示。 

表1 專利主要實施例

在其性能最優(yōu)實施例中，首段預(yù)氧化時間11min，通過預(yù)氧化溫度調(diào)控，使得纖維紅外光譜I1453/ I1370為1.0，第二段預(yù)氧化時間21min，通過,預(yù)氧化溫度調(diào)控，使得纖維紅外光譜I1453/ I1370、I1254/ I1370分別為0.61、0.60；低溫碳化最高溫度900℃、牽伸比1.06，以及高溫碳化最高溫度1500℃、牽伸比0.95，處理后制備得到拉伸強度6.6GPa、拉伸模量為279GPa的高性能碳纖維，實施例4性能如表2所示。

表2 專利主要實施例制備碳纖維力學(xué)性能

專利核心技術(shù)剖析

首先，原絲采用36k規(guī)格干噴濕紡原絲。干噴濕紡碳纖維優(yōu)勢在于纖維力學(xué)性能高、生產(chǎn)成本低，該專利原絲采用36K規(guī)格大絲束原絲，經(jīng)過預(yù)氧化、碳化處理后，有助于進一步降低生產(chǎn)成本。

其次，預(yù)氧化時間大幅度縮減。按照專利中提供的實施例以及獲得拉伸強度6.6GPa、拉伸模量為279GPa的高性能碳纖維時典型例，PAN原絲預(yù)氧化處理時間僅僅為32min，相比較于目前傳統(tǒng)預(yù)氧化所需80-120min大大縮短，在保證最終碳纖維具備優(yōu)異的力學(xué)性能情況下，大幅縮短預(yù)氧化時間，不但節(jié)約了時間成本，而且可以有效減少能耗、縮減成本。

最后，結(jié)構(gòu)控制最為關(guān)鍵。通過日本東麗公司早期申請專利技術(shù)縱覽，不難發(fā)現(xiàn)，無論是從PAN原絲制備，還是纖維的預(yù)氧化、碳化階段，以至于最終石墨化處理，日本東麗公司都是以纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為工藝優(yōu)化調(diào)整的依據(jù)。如本專利中拉伸強度最高6.6GPa實施例中，在牽伸倍率與其它實施例相同的情況下，通過纖維紅外光譜不同吸收光譜位置積分強度比值為依據(jù)，對預(yù)氧化溫度進行了優(yōu)化調(diào)控，最終獲得性能優(yōu)異的碳纖維。

專業(yè)知識多一點

日本東麗公司申請該項專利核心在于結(jié)構(gòu)控制，其纖維微觀結(jié)構(gòu)表征手段選用了紅外光譜，I1453、I1370、I1254分別代表了PAN纖維中苯環(huán)結(jié)構(gòu)、-CH3甲基結(jié)構(gòu)、-C-O結(jié)構(gòu)特征峰。

在PAN纖維預(yù)氧化階段，纖維內(nèi)部會發(fā)生氧化、脫氫、環(huán)化三種化學(xué)反應(yīng)，目前國內(nèi)對PAN原絲預(yù)氧化階段研究大多是以纖維最終氰基轉(zhuǎn)化為-C=N程度為依據(jù)，主要測試內(nèi)容如下所示，雖然也是吸收峰積分強度比值，但是選取峰位為1590cm^-1、2240cm^-1卻明顯不同。

在此次日本東麗公司最新專利技術(shù)中可以看出，更加關(guān)注的氧化、脫氫中間過程化學(xué)反應(yīng)的控制，并以此為依據(jù)作為預(yù)氧化纖維結(jié)構(gòu)調(diào)控依據(jù)。

結(jié)   束   語

近年來，日本東麗公司碳纖維產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化，碳纖維拉伸強度最高達到了7.0GPa，而且近期又開發(fā)出了M40X兼具高強度高模量碳纖維，而伴隨著纖維性能的提升，東麗公司在通過纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制進行工藝優(yōu)化，進而獲得優(yōu)異的力學(xué)性能上，應(yīng)已經(jīng)輕車熟路。

該項最新專利也許能為國內(nèi)碳纖維研究提供一點啟示，開展碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深度研究不單單是科研機構(gòu)要關(guān)注的事情，作為碳纖維企業(yè)，若要實現(xiàn)產(chǎn)品性能穩(wěn)定及突破，纖維基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)控制技術(shù)研究也是必不可少。

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