探析高性能pan基碳纤维的制造及过程分析

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1、天津大学硕士学位论文高性能PAN基碳纤维的制造及过程分析姓名：乔华申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：王成扬;张会轩2000.7.1摘要PAN基碳纤维的制造过程是一个多反应、多变化的复杂过程，通过对PAN基原丝的热氧化实验和在N：保护下的碳化试验研究，结果表明，PAN基纤维在热反应过程中，纤维密度随反应温度的升高而增加。施以拉伸条件，可提高纤维的强度。试验中阐明了氧化纤维、碳纤维制造过程中的控制方法、关键因素、关键设备，以及纤维的结构和力学性能的变化。对纤维反应过程中静电的产生及影响进行了

2、剖析。碳化过程中，着重研究了反应气氛的控制，纤维直径的变化对力／学性能的影响，在碳纤维的表面处理过程，试验分析了电流强度、电／解质浓度、表面处理时间的变化对强度的影响。体研究对现代航空、＼航天、国防等领域的高科技新材料的应用发展，具有特别重要的意义。、关键词：高性能PAN基碳纤维过程分析关键茵素～AbstractThispaperdescribestheindustrialproductionofhigh．performancePANbasedcarbonfiber,analysesitspro

3、cessbriefly,andpointsoutthecontrolmethodandkeyfactor,keyequipment，aswellasthechangesofstructureandmechanicalpropertyofthefibersthroughoutoxidizedfiberandcarbonfiberproductions．Theinfluenceofthechangeoffibertensionorreactionatmosphereandstaticonfiberq

4、ualitywerediscussed，therelationshipbetweenoperationtemperatureandfiberdensitywasfoundoutinoxidizedfiber．Thecontrolmethodofreactionatmosphereandtheeffectoffiberdiameteronthepropertiesofcarbonfibegandalsothemodificationoffiberinsurfacetreatmentprocessh

5、avebeenstudiedincarbonfiberproduction．Thisstudyissignificantfortheapplicationanddevelopmentofhighscienceandtechnologynewmaterialinthefieldsofmodemaviation，spaceflight，nationaldefenseandSOon．Keywords：highperformancePANbasedcarbonfiber，industrializatio

6、n，processanalysis刚舌聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为一种新型的高性能材料，具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、耐腐蚀、耐疲劳、耐辐射等优异性能，为航天、航空、化工、医疗、体育器材、纺织机械、汽车制造、建筑补强等领域新工岂、新技术的建立提供了性能优异的新材料。我们知道聚丙烯腈纤维在空气中加热处理，就会得到由c、N、}l、0元素组成的氧化纤维。若将氧化纤维在惰性气体中高温热处理，就会得到碳纤维，所得到的碳纤维在惰性气体的保护下，于2500"C以上的商温处理后，就ur制得稻墨化纤维。火多数

7、PAN基碳纤维的制造原料是丙烯腈(AN)含量不低于95％的特殊腈纶纤维，纺织用腈纶纤维AN含量较低，不适宜作高性能碳纤维原料⋯。现在作为结构材料的性能优异的碳纤维足山聚丙烯腈纤维制得的。下面是生产PAN基碳纤维的总流程：PAN基纤维—鬻一预氧化PAN纤维(碳含馘约62％)碳纤维(碳含馕92_呻5％)石墨化2500—3000℃一石墨化纤维(碳食堵99％以上)碳化将聚丙烯腈纤维在200--300"C的空气中进行热处理，处理时间为1．5—5小时，在该过程中纤维放出大量的热，发生氧化、环化反应，大分子链

8、的形状也山链状结构转向梯形结构，纤维的颜色变化由白、黄、棕黑、黑色发生转变。拉伸是在该处理期M施加的，减缓了纤维的收缩并保持分子定向排列，结果成为黑色的不熔化的定向良好的长纤维聚合物结构。其成品Hq做“预氧化聚丙烯腈纤维”，也叫‘‘氧化纤维”。接下来，该纤维在1000—1300℃惰性气体的保护下进行碳化处理。此处理过程巾纤维的结构进一步变化，由单一的梯形结构向分子链问的网状梯形结构变化，分子J’日J进一少脱氢，形成的结构更加稳定。此过程也iJ‘施加张力，适当调整纤维的拉仲强度和模量。表面处理是为