近日，江苏恒神股份有限公司最新获得一项发明专利授权，专利名称为“一种聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法”，授权公告日期：2025-1-21。
专利创新点
这个专利提出了一种新的制备方法，能够同时提高碳纤维的强度和模量。具体来说，它通过优化聚合、纺丝、预氧化、碳化等步骤，使得最终得到的碳纤维不仅强度高，而且模量也高。这样一来，碳纤维的综合性能就得到了显著提升。
具体来说，专利的创新点包括：
1. 防渗薄膜的应用：通过在碳纤维复合材料的表层和层间插入防渗薄膜，能够有效阻止低温介质的渗漏。防渗薄膜的材质可以是乙烯-四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯等，这些材料具有优异的防渗性能。
2. 改性纳米羟基磷灰石的引入：专利中使用了改性纳米羟基磷灰石，通过表面改性处理，降低了纳米颗粒之间的团聚现象，使其在树脂基体中能够更均匀地分散。这种均匀分散有助于减少碳纤维复合材料内部的缺陷和孔隙，从而降低渗漏的风险。
3. 制备方法的优化：专利提供了三种不同的制备方法，分别适用于不同的树脂基体（热塑性或热固性树脂），并且这些方法简单易行，适合工业化、大批量生产。
原理与机理
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聚合过程：专利中使用了丙烯腈作为主要单体，通过连续聚合反应得到聚合原液。这个过程中，专利特别强调了高分子量和窄分子量分布的重要性。高分子量的聚合液有助于提高碳纤维的强度，而窄分子量分布则有助于减少纤维中的缺陷。
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纺丝过程：专利采用了干喷湿法成型工艺，这是一种比较先进的纺丝技术。简单来说，就是先把聚合液喷到空气中，然后再进入凝固浴中凝固。这种方法可以减少纤维表面的缺陷，提高纤维的强度和模量。
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预氧化和碳化：预氧化和碳化是碳纤维制备中非常关键的步骤。专利中通过多阶段碳化（低温碳化、高温碳化、超高温碳化）和预氧化预处理，进一步提高了纤维的取向度和结晶度，减少了纤维中的气孔等缺陷。这样一来，纤维的强度和模量都得到了提升。
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表面处理：专利还采用了电解氧化法对碳纤维进行表面处理，这种方法可以在纤维表面产生一些官能团（比如羧基、羟基），这些官能团有助于纤维与树脂等基体材料更好地结合，从而提高复合材料的性能。
解决了现有技术的难点
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强度和模量无法兼顾：传统的碳纤维制备方法往往只能提高强度或模量中的一个，而这个专利通过优化各个步骤，成功实现了强度和模量的同步提升。
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纤维缺陷多：在传统的纺丝和碳化过程中，纤维中容易产生气孔、裂纹等缺陷，这些缺陷会降低纤维的性能。专利通过干喷湿法纺丝和多阶段碳化，有效减少了这些缺陷。
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表面处理效果差：传统的表面处理方法往往效果不均匀，导致纤维与基体材料的结合力不够强。专利通过电解氧化法和超声辅助处理，实现了纤维表面的均匀处理，提高了纤维与基体材料的结合力。
重要意义
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提升碳纤维性能：这个专利通过一系列优化，成功提高了碳纤维的综合性能，使其在航空航天、高端复合材料等领域的应用前景更加广阔。
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推动技术进步：这个专利不仅解决了现有技术中的一些难点，还为未来碳纤维的研发提供了新的思路和方法，推动了整个行业的技术进步。
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市场前景广阔：随着碳纤维在高端领域的应用越来越广泛，这种兼具高强度和模量的碳纤维产品将会有很大的市场需求，市场前景非常广阔。
