一种耐腐蚀高强碳纤维及其生产工艺的制作方法

本技术涉及碳纤维生产领域，主要是涉及一种耐腐蚀高强碳纤维及其生产工艺。

背景技术：

1、碳纤维是由含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维状的碳素材料（如聚丙烯腈纤维、沥青纤维和粘胶纤维）通过特定方式的处理而成的纤维，碳纤维既有碳类材料的固有本征（耐高温、抗摩擦及耐腐蚀等），又兼备纺织纤维的柔软可加工性，具有很广阔的使用前景。

2、碳纤维的具体制备流程可分为纺丝、预氧化和碳化三步，在纺丝步骤中碳素材料会与纺丝机出丝口内壁产生一定程度的摩擦，在预氧化步骤中又会与氧化炉内热循环风产生摩擦，两次摩擦均会产生大量的静电，而静电产生的静电场会对碳素材料内的分子或原子的运动轨迹以及排列方式产生影响，还可能会引起碳素材料中的电子转移和电荷分布发生变化，从而使得碳素材料发生取向变化，而取向变化会影响碳素材料的物化性能，尤其是会对碳纤维成品的拉伸强度产生很大的负面影响，无法保证碳纤维的成品质量。

3、现有的解决方式通常是将抗静电剂与碳素材料熔融共混，制得混合材料后再进行纺丝、预氧化和碳化，能够保证最终得到的碳纤维的拉伸强度基本不受静电影响。然而现有的抗静电剂（一般采用脂肪酸聚氧乙烯酯抗静电剂与聚乙二醇油酸酯抗静电剂）虽然能够在一定程度上消除碳纤维制备中产生的静电，但抗静电剂本身的结构稳定性不佳，同时抗静电剂的耐腐蚀能力较差，会使得最终得到的碳纤维的抗腐蚀能力有所下降。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种耐腐蚀高强碳纤维及其生产工艺。

2、第一方面，本技术提供了一种耐腐蚀高强碳纤维的生产工艺，采用如下的技术方案：

3、一种耐腐蚀高强碳纤维的生产工艺，包括以下步骤：

4、s1、基材制备：将重量比为（95-100）:（5-8）:（2-2.5）的碳素材料、环氧树脂和抗静电剂在160-260℃的温度下熔融共混，挤出造粒后得到基材；

5、s2、纺丝：将基材溶于有机溶剂中得到基材溶解液，并将基材溶解液经喷丝、挤出后得到直径为3.5-3.9um的原丝；

6、s3、预氧化：将原丝置于体系温度为200-220℃且通入氧气的密闭体系中静置50-60min，得到预氧化原丝；

7、s4、碳化：向密闭体系内通入惰性气体直至氧气完全排出，然后将体系温度按照13-15℃/min的速率升温至1400-1450℃，升温结束后保温12-13min，待体系冷却至室温后得到碳纤维。

8、优选的，所述步骤s1中，碳素材料、环氧树脂和抗静电剂的重量比为98:7:2.2。

9、通过采用上述技术方案，本技术首先将各原料按照一定比例混合后在一定温度下熔融共混，挤出造粒后得到了基材，然后将全部基材溶于有机溶剂中得到了基材溶解液，通过将基材溶解液喷丝、挤出得到了一定直径的原丝，然后将原丝在一定温度下的高氧环境中进行预氧化，使得原丝在后续高温碳化处理中能够保持稳定，尽量避免其在碳化操作中熔化，最后将预氧化后的预氧化原丝在高温下进行碳化，最后得到碳纤维。

10、其中，本技术在步骤s1中加入了一定量的环氧树脂和抗静电剂，利用了抗静电剂的抗静电能力，大大降低了纺丝和预氧化步骤中产生的静电荷数量，碳素材料发生取向变化的程度随之降低；又利用了本身具有极高耐腐蚀性的环氧树脂与碳素材料熔融共混，能够提升碳纤维的抗腐蚀能力。

11、优选的，所述步骤s2中，在基材溶解液温度为60-65℃的条件下进行喷丝、挤出。

12、优选的，所述步骤s2中，在基材溶解液温度为64℃的条件下进行喷丝、挤出。

13、通过采用上述技术方案，本技术将基材溶解液调节至一定范围内，在此温度范围下的基材溶解液中的碳素材料和环氧树脂之间相容性更佳，混合程度更加均匀，并且经实验数据证明，当基材溶解液温度为64℃时，碳素材料和环氧树脂之间相容性最高，混合最为均匀，环氧树脂能够最为充分的发挥自身的耐腐蚀能力并提升碳纤维的耐腐蚀能力。

14、优选的，所述步骤s1中还加入用量为环氧树脂用量的2.5-2.8wt%的加工助剂，并与碳素材料、环氧树脂和抗静电剂共同熔融。

15、优选的，所述加工助剂包括重量比为（12-15）:（8-9）的聚芳醚砜和聚氨基甲酸酯。

16、通过采用上述技术方案，本技术向碳素材料和环氧树脂的混合体系中加入了由聚芳醚砜和聚氨基甲酸酯按照一定重量比混合而成的加工助剂，其中，本技术利用聚芳醚砜能够有效增强环氧树脂的韧性，使得环氧树脂可以在步骤s2中易于加工成型，在喷丝这一环节中能够更加顺畅地从纺丝机喷丝口处喷出，降低了摩擦系数，也就降低了因摩擦产生的静电荷数量，降低了碳素材料发生取向变化的程度，并提升碳纤维的拉伸强度；本技术又利用聚氨基甲酸酯提升了环氧树脂与碳素材料的化学相容性，使二者能够更加充分的均匀混合，环氧树脂也就能够最为充分的发挥自身的耐腐蚀能力并提升碳纤维的耐腐蚀能力。本技术充分发挥了聚芳醚砜和聚氨基甲酸酯的协配作用，既降低了碳纤维制备中因摩擦产生的静电荷数量，使得最终得到的碳纤维的拉伸强度仍保持较高水平，又使得到的碳纤维的耐腐蚀能力也得到提升。

17、优选的，还包括强化后处理，具体为：

18、将步骤s4中得到的碳纤维裁剪成长度为20-22cm的碳纤维段，然后将碳纤维段完全浸没于补强液中，在45-55℃的温度下静置4.5-4.8h后将碳纤维取出，并在95-100℃的温度下烘干，再次完全浸没于补强液中，静置，取出，烘干，并再次重复浸没、静置、取出和烘干的循环2-3次，得到强化碳纤维。

19、通过采用上述技术方案，本技术将碳纤维进行裁切后浸没于补强液中，并在一定的温度、时间下循环处理多次，补强液中的有效物质具有很高的力学稳定性和贴附能力，会在本技术的处理条件下紧密贴附于碳纤维表面，并充分发挥自身的良好力学稳定性来对碳纤维起到补强效果。

20、优选的，所述补强液包括重量比为（50-52）:（12-13）:（220-240）的氯化钛、氯化铁和水。

21、优选的，所述氯化钛和氯化铁的重量比为50.6:12.7。

22、通过采用上述技术方案，本技术利用了氯化铁和氯化钛作为补强剂的有效物质，此二者均能充分溶于水中，并且在一定温度下，氯化铁会在水中生成力学性能稳定、易于在碳纤维表面生长、粒径较小的氢氧化氧铁，氯化钛会在水中生成具有高稳定力学性能、质地较硬且极易吸附于碳纤维表面的二氧化钛，随后在持续高温处理中，氢氧化氧铁与二氧化钛充分发挥了协同增效作用，其中二氧化钛会吸附于碳纤维表面并对碳纤维起到补强作用，同时由于氢氧化氧铁的粒径小于二氧化钛，其还会在未吸附有二氧化钛的那一部分碳纤维表面生长，能够更紧密填充碳纤维表面上二氧化钛的吸附空缺位置，并与二氧化钛一同发挥力学稳定性对碳纤维进行补强。

23、本技术通过控制氯化铁和氯化钛的重量比，实现了对于氢氧化氧铁和二氧化钛的生成量之比的控制，使得补强剂的综合补强效果得到显著提升，若是氯化钛用量过小，二氧化钛生成量也随之降低，仅凭氢氧化氧铁无法满足补强需求；若是氯化铁用量过小，氢氧化氧铁生成量也随之降低，无法有效填充碳纤维表面上二氧化钛的吸附空缺位置，补强效果同样仍具有一定的上升空间。并且经实验数据证明，当氯化钛和氯化铁的重量比为50.6:12.7时，氢氧化氧铁和二氧化钛的生成量也处于最优配比，能够使补强剂的综合补强效果达到最佳。

24、第二方面，本技术提供了一种耐腐蚀高强碳纤维。

25、通过采用上述技术方案，本技术通过熔融共混制备基材、纺丝、预氧化、碳化制得的碳纤维，在制备中加入了抗静电剂的前提下仍能具有较高的拉伸强度和耐腐蚀能力，大大优化了碳纤维的成品质量。

26、综上所述，本技术具有以下有益技术效果：

27、本技术中的耐腐蚀高强碳纤维中包括环氧树脂，环氧树脂能够利用本身具有极高耐腐蚀性的特性，在与碳素材料熔融共混后显著提升碳纤维的抗腐蚀能力；

28、本技术中的耐腐蚀高强碳纤维生产工艺中，通过添加补强剂、添加加工助剂以及对碳纤维强化后处理和一定温度下喷丝等操作，大大提升了碳纤维的拉伸强度和耐腐蚀能力，优化了碳纤维的成品质量。