解析日本东丽公司最新碳纤维专利

2019年5月9日，由日本东丽公司申请的一项美国专利：Carbon fiber bundle and method of manufacturing same正式公开，该专利由东丽公司于去年11月申请，专利公开了拉伸强度≥6.0GPa、拉伸模量介于265-300GPa，钩结强度≥820MPa，丝束规格≥30k规格的碳纤维制备技术。

新专利的关键内容

该技术核心点在于热处理过程中实现纤维单根丝束受热均匀，具实施途径为：以丝束规格36K的干喷湿纺PAN原丝为原料，首先进行8-25分钟的预氧化处理，经过红外光谱仪检测，纤维1453cm^-1处红外吸收强度与1370cm^-1处吸收强度比值为0.98-1.10后，进行第二段预氧化处理，处理时间为20-35min，处理后纤维1453cm^-1处红外吸收强度与1370cm^-1处吸收强度比值为0.6-0.65，以及1254cm^-1处红外吸收强度与1370cm^-1处吸收强度比值为0.50-0.65，随后在温度500-1000℃惰性气氛、牵伸比1.0-1.1工艺下进行低温碳化处理，最后经过1000-2000℃高温碳化处理制备得到上述性能碳纤维。实施例中主要工艺参数如表1所示。

表1 专利主要实施例

在其性能最优实施例中，首段预氧化时间11min，通过预氧化温度调控，使得纤维红外光谱I1453/ I1370为1.0，第二段预氧化时间21min，通过,预氧化温度调控，使得纤维红外光谱I1453/ I1370、I1254/ I1370分别为0.61、0.60；低温碳化最高温度900℃、牵伸比1.06，以及高温碳化最高温度1500℃、牵伸比0.95，处理后制备得到拉伸强度6.6GPa、拉伸模量为279GPa的高性能碳纤维，实施例4性能如表2所示。

表2 专利主要实施例制备碳纤维力学性能

专利核心技术剖析

首先，原丝采用36k规格干喷湿纺原丝。干喷湿纺碳纤维优势在于纤维力学性能高、生产成本低，该专利原丝采用36K规格大丝束原丝，经过预氧化、碳化处理后，有助于进一步降低生产成本。

其次，预氧化时间大幅度缩减。按照专利中提供的实施例以及获得拉伸强度6.6GPa、拉伸模量为279GPa的高性能碳纤维时典型例，PAN原丝预氧化处理时间仅仅为32min，相比较于目前传统预氧化所需80-120min大大缩短，在保证最终碳纤维具备优异的力学性能情况下，大幅缩短预氧化时间，不但节约了时间成本，而且可以有效减少能耗、缩减成本。

最后，结构控制最为关键。通过日本东丽公司早期申请专利技术纵览，不难发现，无论是从PAN原丝制备，还是纤维的预氧化、碳化阶段，以至于最终石墨化处理，日本东丽公司都是以纤维内部结构作为工艺优化调整的依据。如本专利中拉伸强度最高6.6GPa实施例中，在牵伸倍率与其它实施例相同的情况下，通过纤维红外光谱不同吸收光谱位置积分强度比值为依据，对预氧化温度进行了优化调控，最终获得性能优异的碳纤维。

专业知识多一点

日本东丽公司申请该项专利核心在于结构控制，其纤维微观结构表征手段选用了红外光谱，I1453、I1370、I1254分别代表了PAN纤维中苯环结构、-CH3甲基结构、-C-O结构特征峰。

在PAN纤维预氧化阶段，纤维内部会发生氧化、脱氢、环化三种化学反应，目前国内对PAN原丝预氧化阶段研究大多是以纤维最终氰基转化为-C=N程度为依据，主要测试内容如下所示，虽然也是吸收峰积分强度比值，但是选取峰位为1590cm^-1、2240cm^-1却明显不同。

在此次日本东丽公司最新专利技术中可以看出，更加关注的氧化、脱氢中间过程化学反应的控制，并以此为依据作为预氧化纤维结构调控依据。

结   束   语

近年来，日本东丽公司碳纤维产品性能不断优化，碳纤维拉伸强度最高达到了7.0GPa，而且近期又开发出了M40X兼具高强度高模量碳纤维，而伴随着纤维性能的提升，东丽公司在通过纤维内部结构控制进行工艺优化，进而获得优异的力学性能上，应已经轻车熟路。

该项最新专利也许能为国内碳纤维研究提供一点启示，开展碳纤维内部结构的深度研究不单单是科研机构要关注的事情，作为碳纤维企业，若要实现产品性能稳定及突破，纤维基础结构控制技术研究也是必不可少。

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