聚丙烯腈碳纤维

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1、聚丙烯腈碳纤维（PANCF）内容碳纤维概述PANCF的制备方法及结构演变存在的科学问题及技术改进方向碳纤维概述碳纤维概述碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。碳原子结构最规整排列的物质是金刚石，碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差，具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性能。PANCF的发展历程里程碑I日本科学家Shindo预氧化II英国科学家Watt张力预氧化强度的进展六十年代1.4GPa七十年代2.7GPa八十年代3.5GPa九十年代7.03GPa碳纤维的分类（1）按原料分粘胶基碳纤维（Rayon基CF）最早

2、问世，宇航唯一性材料沥青基碳纤维（Pitch基CF）得率最高，最经济的品种聚丙烯腈基碳纤维（PAN基CF）性能最全面，应用最广泛碳纤维的分类（2）按力学性能分通用级(GP)T-300高性能级(HP)高强T-1000高模M40高强高模M60J型号指标抗拉强度MPa抗拉模量GPa断裂伸长率％T-3003,5302301.5T-10006,3702942.2M402,7403920.7M60J3,9205880.7碳纤维的主要性能高比强度、高比模量耐高温，使用温度2000℃3000℃非氧化气氛中不融不软耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀热膨胀系数小，约等于零热导率高，约为10-140W/(m。K)摩擦

3、系数小,有自润滑作用。导电性好，102-104/欧姆－厘米聚丙烯腈基碳纤维（PANCF）最全面应用面最广生产规模最大需求量最大（70％-80％）发展最快性能最佳分解温度在于熔融温度之前。可以各种拉伸手段尽量拉到1000％以上，线性大分子链能沿纤维轴择优取向。可在160℃附近塑性状态热稳定化中再次拉伸提高分子链择优取向度。在1000℃及以上温度的热分解中碳得率较高50-55％。PAN的独特结构具有图示的结构，这种结构容易形成共轭结构的梯形高分子，使其能够承受较快的速度热解而保持原有的纤维状基本结构。PANCF的制备方法及结构演变聚合反应聚合反应历程聚合反应起始反应增长反应终止反应结合反应歧化反

4、应链转移反应单体转移溶剂转移聚合反应及聚合体特点终止速率常数（Kt）随着温度变化最敏感，每提高1℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右时，PANMw/Mn﹥2的倾向性特别大。由于－CN基团的高度极性，-CN与各种Me+络合能力很大，高纯化难度大，容易形成间规结构，给下一步预氧化和碳化带来一系列困难。-CN为有机基团中极性最大的基团，PAN的分子间作用力非常大，其内聚能密度（620-900J/cm3.mol）几乎在所有合成高分子中最高,PAN分子链非常不容易内旋转，甚至高温加热也不容易使PAN的链段运动,这种牢固的极性结构一旦形成某种构象及凝聚态结构就难以改变,微孔不易消除。PAN的溶解参

5、数25.3，只能溶解于良溶剂中。DMSO的溶解参数度参数为29.4，溶解性能好，。但难以从纤维中洗净。结构规整性“头头”联接？支化结构？环状结构？偶极矩高度结晶溶解性不好可纺性较差难以拉伸预氧化时起峰温度高、放热集中解决办法:引入结构缺陷破坏结晶/改善溶解性易于纺丝.共聚合(%共单体)引入共聚单体的作用增加聚合物的溶解性和可纺性改变环化机理(自由基离子机理)降低环化温度、放热峰变宽降低原丝的结构规整性和结晶度增加大分子链结构的不均匀性可能引入更多的无机杂质和有机杂质共聚单体结构酸性单体:IA/AA…中性单体:MMA/BA…碱性单体:AM…改善预氧化过程.1)改善可纺性.2)

6、提高氧扩散能力改善预氧化过程.改善可纺性.什么样的共聚单体最好？其用量多少最合适？共聚单体结构酸性单体:IA/AA…中性单体:MMA/BA…碱性单体:AM…改善预氧化过程.1)改善可纺性.2)提高氧扩散能力改善预氧化过程.改善可纺性.PAN原丝常用的共聚单体No共聚单体化学结构1AcrylicacidCH2=CHCOOH2MethacrylicacidCH2=C(CH3)COOH3MethacrylateCH2=CHCOOCH34AcrylamideCH2=CHCOONH25ItaconicacidCH2=(COOH)CH2COOH酸性共聚单体最适合的用量2.5mol%含量过高会引起稳定化速

7、率的增加引起链长缩减及成品质量下降A,链段内分布均匀链段间分布也均匀B,链段间分布均匀链段内分布不均匀C,链段内分布不均匀链段间分布也不均匀A、B、C三种聚合物的组成相同但链结构不同，共性质也会不同序列结构均匀的成纤聚合物PAN聚合体主链结构缺陷的产生机理PAN聚合体侧链结构缺陷的产生机理成纤聚合物链结构分子量及其分布共聚单体结构共单体含量立构规整性畸变结构单元原丝结构(凝聚态)预氧丝结构与性能可纺性序列结构