PAN碳纤维讲解

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1、聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构PAN基碳纤维制备PAN基碳纤维性能PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔

2、软可加工性，是新一代增强纤维。聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化

3、合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。PAN选用的原因：1、PAN结构式:1这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃

4、附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。PAN碳纤维原丝微观图：【1】PAN碳纤维原丝截面图【2】PAN纤维截面SEM照【3】PAN碳纤维表面结构23.聚丙烯腈碳纤维的制备1975年，Fitzer等人进行了一系列的实验，用稳定与差分热分析（DTA）和空气/氮气环境的控制。他们的研究结果表明，脱氢反应可以之前或之后发生环化反应。但是，即使在刚刚提到的研究结果，脱氢是在一个相对缓慢的过程稳定，并且它倾向于发生在已环化链条。通过研究比较DSC和FTIR的结果，刘等人发现，发生脱氢接近同时与氧化[55]。在一项研究中发现的活化能

5、和各个反应的频率因子，纤维被稳定化，在惰性大气，其中独立地将发生环化反应相对短暂而剧烈的方式。这些环化纤维恢复稳定，在空气它被发现的氧化和脱氢要求显著低活化能并且将发生在一段更广泛的长度相对于反应环化。这些结果表明（至少为〜9.5-11微米直径的均聚物聚丙烯腈原丝用）的脱氢是限制因素，当试图充分稳定纤维的结构。环化作用是稳定期间的最重要的反应。它发生时，腈键（C≡N）反应形成双键，和稠合的吡啶形成环链结构。这种结构是远远超过前者腈键更热稳定的。不同于脱氢环化反应不需要氧的存在下发生，因此它可以发生在惰性气氛中。此特征被广泛地用于分离环

6、化从热分析的其他稳定的反应。此外，这是的结果环化反应是一种能量依赖的反应，而不是质量依赖性;因此，反应是在受控温度和时间参数，以确保能量（热）扩散到聚合物中。的PAN系前体的分子结构，因为它经历了上述反应可以在下面进行总结。环化就是稳定的纤维从白色变色发黄的原因褐色至黑色[57-59]。一个旧的和快速的测试，看看是否纤维已经彻底稳定是把他们下一个火焰。如果他们发光，不烧，那是指示该纤维已通过环化了。环化反应的启动已被链接到几个来源。它可以在启动杂质在聚合物中，例如催化剂的片段，残留的聚合产物，或抑制剂。3它也可以在链端基，随机启动氢原

7、子的腈，或者将腈转化到axomethine弗里德兰德认为环化反应被启动由酮，腈的存在下通过聚合中水解，并皮布尔斯等人提出的，这可能是因为腈的聚合反应过程中水解成酸而导致的。环化反应是放热反应，它有损伤纤维。该纤维可收缩过度，失去了显著质量，并甚至熔化和熔合在一起。相反，如果稳定化过程太保守和纤维仅部分稳定化，稳定化部将挥发碳化和石墨化过程中，显著削弱了最终产品。聚丙烯腈（PAN）在1961年通过Shindoin首次被认定作为碳纤维合适的先驱体。他现在是碳纤维最总要的开始材料。丙烯腈的聚合反应是至关重要的，特别是因为在CF制作另外的步骤

8、如纺丝，稳定化，碳化和前驱体体的纤维，以及由此产生的CF特性强烈地依赖于所用的前体聚合物的特性。丙烯腈（AN）可以聚合本体聚合，悬浮液聚合，溶液聚合，并在乳液通过将自由自由基，离子或原子转移自由基聚合。溶液聚合和悬浮聚合