聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)研究.pdf

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1、聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)研究林雪森王啟利(吉林石化公司碳纖維廠，吉林吉林132021)摘要：本文通過目前市場上關于紡絲、PAN基炭纖維的生產(chǎn)工藝、碳化等各個指標研究了聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)。還探討了目前國內(nèi)市場的碳纖維的發(fā)展趨勢。關鍵詞：碳纖維；聚丙烯腈；發(fā)展碳纖維上結(jié)合了眾多材料的優(yōu)點，被國際評為是現(xiàn)代高科技領域的典型代表工業(yè)材料，具有新材料之王的美稱。碳纖維有以下幾種優(yōu)點：能夠讓大量的x光穿透、受熱不易膨脹、導電，導熱能力強、震動衰減性高，抗疲勞、受得了摩擦、不易被腐蝕、耐高溫、密度低，碳纖維本身并不是磁體但是能夠屏蔽電磁，

2、碳纖維的這些，優(yōu)點被人們廣泛地應用在，國防事業(yè)，醫(yī)療方面，航天事業(yè)以及汽車構(gòu)件，建筑加固，塑料增強等方面。碳纖維擁有那么多的優(yōu)點主要是因為它的含碳量為9／10以上，碳纖維在未來的發(fā)展趨勢被人們所看好。碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供給了國防軍業(yè)更高的防護作用，碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還有效地促進了我國經(jīng)濟的發(fā)展，為我國經(jīng)濟提高發(fā)揮了舉足輕重的作用。碳纖維的發(fā)展前景被人們所認可，國外更是對碳纖維的技術進行了全面的封鎖，所以我國要想更好的發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，必須走全面自主的創(chuàng)新道路。1碳纖維分類目前國際上生產(chǎn)的碳纖維90％都為PAN基碳纖維，這主要是因

3、為PAl',／基碳纖維的性能遠遠高于其他碳纖維的性能，面對其他纖維具有高的優(yōu)勢。經(jīng)過歷史的發(fā)展，PAN碳纖維已經(jīng)領導了當今碳纖維工業(yè)的發(fā)展。將碳纖維進行分類，按照碳纖維的力學性能來分可以分為：超高模量碳纖維，高強度碳纖維，高模量碳纖維，超高強度碳纖維，高性能碳纖維，通用碳纖維。按照材料來分類可以分為3種纖維，分別為：載膠基碳纖維，瀝青基碳纖維，聚丙烯腈基炭纖維。如果按照碳纖維的絲束來分的話可以分為小絲束和大絲束纖維，小絲束是指1到24k，lk表示為一條碳纖維含有1000根單絲，大絲束中含有48到480k。2PAN碳纖維的生產(chǎn)

4、PAN碳纖維的生產(chǎn)過程又長又復雜，分別有3個步驟：第一，通過聚丙腈單體相互聚合得到原液，第二步，再由原液進行PAN原絲的制作。最后一步，對PAN原絲進行氧化以及碳化。2．1紡絲原液的制備工業(yè)上對PAN的制作是遵循自由基組合的原理，工業(yè)上生產(chǎn)PAN時采用的是懸浮聚合以及溶液聚合這兩種工藝，但是工業(yè)生產(chǎn)PAN炭纖維時主要采用的是溶液聚合方式。利用溶液聚合方式生產(chǎn)碳纖維時要用3114種材料，分別是：溶劑二甲基亞颯、引發(fā)劑偶氮二異丁睛、共聚單體衣康酸、單體丙烯睛，只有單體丙烯腈的聚合物氧化炭纖維的過程中會放出大量的熱，情況較輕的會把

5、碳纖維燒斷，情況較為嚴重的會引起火災。2_2紡絲在進行紡絲的過程中，發(fā)生了聚合液的細流和凝固液的導熱現(xiàn)象。絲條從噴絲板噴出后要經(jīng)過熱定型、蒸氣牽伸、上油、凝固浴、熱水拉伸、水洗等步驟最后成為PAN原絲。影響初生纖維的因素主要有凝固浴的溫度，拉伸比，循環(huán)量以及溫度，判斷初生纖維的性能可以根據(jù)初生纖維的截面形狀，強度，微孔數(shù)目等來判斷。影響碳纖維的性能還有任何非原性的截面原絲，因為這些元素在氧化以及碳化的過程中會產(chǎn)生熱量。經(jīng)過凝固浴后生成的初生纖維要用水將纖維表面上的溶劑洗掉，否則將會在下一步的預氧化過程中讓兩股或者多股單絲融合

6、，最終影響碳纖維的質(zhì)量。拉伸這一步驟會明顯的提高碳纖維的取向，在拉申的過程中，網(wǎng)狀纖維取向會向橫發(fā)展，然后強度也會增強。在凝固浴中要負拉伸，減少斷絲，在其他過程中要正拉伸，提高取向度，總的拉伸倍數(shù)一般都在5～8倍。上油的目的是增加纖維的集束性，減少單絲載連和抗靜電性，而且油劑對提高碳纖維的強度也有一定貢獻，約為0．5—1．OGPa。纖維經(jīng)過前面多步拉伸存在一定的內(nèi)應力，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須經(jīng)過松弛熱定型，局部鏈段解取向，而整個大分子鏈仍保持對纖維軸的擇優(yōu)取向。2．3預氧化、碳化(1)預氧化預氧化對PAN碳纖維的制作過程中至關

7、重要的作用，有效的連接了無機碳纖維和有機碳纖維。在制作碳纖維的過程中這是最重要的一步。對碳纖維進行預氧化的目的是為了使熱塑性聚丙烯睛線性大分子轉(zhuǎn)化為非熱塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，保持碳纖維在高溫下不被損壞，保持之前原有的形狀，最后變成有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的碳纖維。預氧化是聚丙烯睛原絲在空氣氣氛下，通過300。C高溫區(qū)，施加一定的力度對碳纖維的結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)變得到預氧絲。對碳纖維進行預氧化，會使得碳纖維產(chǎn)生一系列的化學反應，這些反應有氧化反應，復分解反應以及脫氫反應等。(2)碳化在制作碳纖維的過程中，炭化是這個過程的最后一個步驟。對碳纖維進行碳化

8、時原本的碳纖維分子結(jié)構(gòu)會被改變，炭化過程中，纖維分子內(nèi)的二氧化碳，一氧化氮以及水等產(chǎn)物會被排除掉，進而高密度地聚集碳原子，逐步得到碳含量為9／10以上的碳纖維。這些過程必須在高濃度的氮氣環(huán)境下進行碳化纖維的過程中有兩個階段，分別為高溫階段和低溫階段。這兩個階段都是在高濃度的氮氣環(huán)境下進行的