PAN碳纤维技术参考资料.ppt

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1、第八章碳纤维8.2.2碳纤维的制造玻璃纤维--熔融纺丝，芳纶纤维--溶液纺丝，而碳纤维是以碳为主要成分的纤维状材料，只能以有机物为原料采用间接法制造（由于至今尚未找到一种能够溶解碳的溶剂，要使碳熔融必须在100个大气压和3800℃以上的高温时才能实现）。连续碳纤维的制造有机纤维碳化法；晶须或短纤维采用气相法。8.2.2.1粘胶基碳纤维的制造一、制备粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理，而制成粘胶基碳纤维。粘胶基碳纤维的原料是含有纤维素结构的各种天

2、然或人造纤维。木材、棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与烧碱和CS2反应生成纤维素磺酸钠，再溶解在稀氢氧化钠溶液中，成为粘稠的纺丝原液，称为黏胶，湿法纺丝得原丝，经碳化石墨化制得。二、热处理过程：1）25℃～150℃温度下，脱去吸附水2）150℃～240℃温度下，纤维素环脱水3）240℃～400℃下，通过自由基反应，C-C，C-O键断裂，生成水、CO和CO2等气体放出；4）400℃以上，进行芳香化，放出氢气。再升高温度时，进行碳化和石墨化过程。该过程中，纤维的损失在90％以上。随着纤维直径变细，碳纤维的强度提高。这可能是由于纤维

3、直径小，挥发物容易逸出，从而保持了结构的完整性。三、性能特点由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈树叶状。性能平衡性较差，弹性系数较大，强度较低（拉伸强度：2800MPa，模量350GPa），碳化收率较低（20%-30%）[聚丙烯腈基碳纤维为40%-60%，沥青基碳纤维为80%-90%]。纤维中碱金属含量低于1*10-4，它还有灰分低、密度小、导热性差等特点，除作为复合材料的增强体外，更适宜做耐烧蚀功能复合材料。8.2.2.2聚丙烯腈基碳纤维的制造一、PAN选用原因1、PAN结构式迄今发展高性能碳纤维最受人

4、注目的先驱体。2、选用PAN的原因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℃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。1、原丝的制备（1）高性能原丝的质量要求用于制备碳纤维的PAN原丝应具备如下要求:①结构均匀致密,纤维内、外部的缺陷少;②金属等杂质含量低,溶剂残留量低;③纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高;④纤维的物理机械性能优异;⑤纤维纤度小,直径不匀率低;⑥纤维的油剂或表面处理剂有利于原丝

5、的预氧化和碳化等。（2）PAN的制备均聚？共聚？a、对于均聚PAN而言，加工碳纤维的稳定化过程中的环化反应是自由基引发的，反应具有瞬时高速性，会迅速放出大量的热，因而影响碳纤维的质量；高度结晶，溶解性不好、可纺性较差.b、酸性共聚PAN聚丙烯腈原丝中添加共聚组分是为了增进它的预氧化过程和环化架桥作用。环化反应是通过离子型机理引发的，可降低引发温度，一般为180℃左右。发热峰较宽，缓和放热反应，牵伸容易，预氧化工艺容易控制，主链断裂飞丝现象减少。通常应用的共聚单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、衣康酸（CH2=COOHC

6、H2COOH）等，多采用丙烯腈(AN)-丙烯酸甲酯(MA)-依康酸(ITA)三元共聚物或者AN-ITA二元共聚物，用量2%～5%。（3）由PAN聚合物纺丝由PAN聚合物纺制PAN纤维，一般可采用湿纺、干喷湿纺、干纺和熔纺等几种方式。①干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高温的气体氛围中，使溶剂蒸发浓缩、固化的方法。牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外，采用干法生产的纤维溶剂不容易洗净，如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及碳化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结，并产生缺陷，所得碳纤维发脆或毛丝多、强度低

7、。②湿式纺丝方法是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝固。随着牵引速度的增加，纺丝牵伸的倍率提高，在喷丝孔处易产生断丝，所以提高纺丝速度是有限度的。③干喷湿纺法是纺丝原液经喷丝板喷出之后先经过一小段（3－10mm）空气层，然后再进入凝固浴。空气层作用：(a)空气层是有效的牵伸区，纺丝速度高。(b)可在空气层中形成一层致密的薄层,可以阻止大孔洞的形成,易得高强度原丝.(c)空气层高度对纤维物理机械性能的影响很大，一般3-10mm。较大的空气层高度有利于PAN大分子在拉伸力的作用下取向，过大时从喷丝孔挤出的纺丝原液容易发生粘并

8、,而使纺丝无法顺利进行。原丝的结构均匀致密，强度可达到7.62-10.88cN/dtex，比湿法原丝的强度为4.9－6.53cN/dtex高50%以上，因此要得到高强度的碳纤维采用干喷湿纺法较好。PAN纤维在张力下于空气中加热至180℃～300℃，加热速率1～3℃/min。发生环化、脱氢和氧化等反应。环化反应在整个分