碳纤维的产业现状及发展

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1、碳纤维的产业现状及发展  论文关键词:碳纤维工艺技术供需情况发展  论文摘要:碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,分子结构界于石墨和金刚石之间,含碳体积分数随品种而异,一般在0.9以上。  一、碳纤维的性能  1.1分类  根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种碳纤维,将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前,PAN碳纤维市场用量最大;按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维;按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维,其中小丝束初期以1K、3K、6K(1K为10

2、00根长丝)为主,逐渐发展为12K和24K,大丝束为48K以上,包括60K、120K、360K和480K等。  1.2性能  碳纤维的主要性能:(1)密度小、质量轻,密度为1.5~2克/立方厘米,相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2;(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复l00%;(3)具有各向异性,热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;(4)导电性好,25。C时高模量纤维为775μΩ/cm,高强度纤维为1500μΩ/cm;(5)耐高温和低

3、温性好,在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;(6)耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外,还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。  通常,碳纤维不单独使用,而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料,该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质,已在现代工业领域得到了广泛应用。  1.3应用领域  由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性,因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、

4、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外,碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用,主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极,在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。  二、生产工艺  通常用有机物的炭化来制取碳纤维,即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料,干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。  2.1干喷湿纺法  干喷湿纺法即干湿

5、法,是指纺丝液经喷丝孔喷出后,先经过空气层(亦叫干段),再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条,纺出的纤维体密度较高,表面平滑无沟槽,且可实现高速纺丝,用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。  干喷湿纺装置常为立式喷丝机,从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴,完成干喷湿纺过程;再经导向辊、离浴辊引出的丝条经后处理得到PAN纤维。  离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段)再进入凝固浴,干段很短,但对凝固相分离和成纤结构有着重大

6、影响,在空气层,挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发,表面形成了薄薄致密层,细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度;由于在喷丝板出口处产生膨胀效应,靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动,然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴;凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固,低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差,加速扩散;低温可抑制扩散速度,利于沉淀结构致密化、均质化,最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。  与纯湿纺相比,干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝,大幅提高了纤维的抗拉强度,可

7、生产细特化和均质化的高性能碳纤维。  2.2射频法  PAN原丝经过预氧化(200~350。C,射频负压软等离子法)、碳化(800~1200。C,微波加热法)到石墨化(2400~2600。C,射频加热法),主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集,分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。  国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路,它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝,接着用微波加热法碳化,最后用射频加热法石墨化形成小丝

8、束碳纤维。  三、碳纤维的发展3.1国外发展  以PAN碳纤维为例,该纤维国际上研发已有30年左右,目前世界碳纤维的生产能力在3.4~3.8万吨左右,主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽、东邦以及三菱人造丝公司)依靠其先进的纺丝科学技术,形成了高性能原丝生产的优势,大量生产高性能碳纤维,使

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