高性能碳纤维原丝与干喷湿纺

《高性能碳纤维原丝与干喷湿纺》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据第29卷第4期2004年8月意斜旌纤维与应用Hi—Tkhnber＆AppIicationV01．29No．4Aug．2004高性能碳纤维原丝与干喷湿纺贺福(中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原030001)摘要：干喷湿纺兼备干法和湿法的优点，是新一代纺丝方法。此法在国外已用在工业生产线上，并纺出高性能PAN原丝和制得高质量碳纤维。此法还在完善和提高，普及已为期不远。关键词：干喷湿纺；PAN原丝；碳纤维中图分类号：T0342．3l；1’0340．149文献标识码：A文章编号：l007-9815(2004)04—0006·07刖舌回眸

2、国内外碳纤维的发展史给人们许多启迪。其中之一是把原丝质量放在龙头老大的地位。有了优质原丝才能生产出高性能碳纤维，有了质量稳定的原丝才能产业化。换言之，没有稳定的高质量原丝，产业化就等于无米之炊。质量过关的原丝是产业化的前提，是稳定生产的基础。工业生产聚丙烯腈纤维主要有干法、湿法和干喷湿纺(干湿法)。干湿法兼备干法和湿法的优点，可纺出高性能碳纤维原丝，是先进的新一代纺丝方法。本文就干喷湿纺(Dryjet—wetspinning)作一介绍。1干喷湿纺干喷湿纺，顾名思义即纺丝液经喷丝孔喷出后不立即进入凝固浴，而是先经过空气层(亦叫干段或干层)，再

3、进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。如果说成纤是一物理过程，在干段(空气层)发生的物理变化有利于形成致密化和均质化的丝条，为生产高性能原丝奠定了基础。目前，用湿法和干喷湿纺都可生产出优质碳纤维PAN原丝，但后者更适合纺出高质量原丝。同时，干喷湿纺无论是工艺还是设备仍在不断提高和完善，大有发展空间。表l列出了湿纺与干喷湿纺的主要差异。显然，干喷湿纺可纺高相对分子质量、高固质量分数和高粘度的纺丝溶液，且可实现高速纺丝。同时，纺出的纤维体密度较高，表面平滑没有沟槽，可制得高性能碳纤维。日本东丽公司已用此法纺出了高性能PAN原丝和制得了高质量碳

4、纤维。表2列出了该公司生产出碳纤维的主要性能，图1是T800和Tl000的扫描电镜(SEM)图。碳纤维T300和T800可能采用的PAN原丝为湿法纺丝工艺，而碳纤维T700和T1000可能采用的原丝为干喷湿纺新工艺。因而T800表面具有湿法纺丝的特征，即表面有沟槽；TlOOO表面平滑而没有沟槽，是干喷湿纺的固有形貌。从表2和图l还可看出以下几点：(1)T700s和T300的单丝直径都为7um，但T700S的密度为1．8g／cm。，比后者高出了2．27％，使其抗拉强度高出了38．8％。这表明干喷湿纺可纺出较高密度原丝和制得较高密度碳纤维，从而

5、使其抗拉强度得到大幅度提高。换言之，纤维致密化是提高碳纤维强度的主要技术措施之一，也是制取高性能碳纤维的基本思路。(2)T800和Tl000单丝直径大约都在5．3um。T800所用原丝为湿纺，T1000为干喷湿纺，因而后者的抗拉强度比前者高出28．6％。这也可显示出干喷湿纺的优点。(3)T300与T800所用原丝为湿法纺丝工艺，T700与T1000为干喷湿纺工艺，但T800比T300的直径、T1000比T700的直径都细了收稿日期：2004—06-ll；修定日期：2004一07·15作者简介：贺福(1939-)，男，山西交城人，研究员，主要

6、从事碳纤维的基础研究及其制造工艺研究．万方数据第4期贺福：高性能碳纤维原丝与干喷湿纺一7一碳纤维种类密度抗拉强度抗拉模量断后伸长率单丝直径／(g·cm。3)／GPa／％／um注：T700s是替代T300的新一代通用级碳纤维；T700G是飞机工业专用级碳纤维；T1000G是宇航工业和高级文体用的高性能碳纤维。致密化、均质化贯穿生产碳纤维的全过程。不论是湿纺还是干喷湿纺，高纯化、细特化和均质化是制取高性能原丝和碳纤维的方向性课题。T800T1000图1日本东丽公司与T1000的扫描电镜图24．3％，使其抗拉强度分别提高了55．5％和44．1％。

7、这表明细特化是提高碳纤维抗拉强度的主要技术措施之一。目前，实验室已研究出拉伸强度为9。03GPa的碳纤维，其单丝直径已细到3．4um。可以推测，纳米碳纤维的问世将使其抗拉强度得到大幅度提高。这些数据完全符合经典的Grimth理论和WeibulI最弱连接理论。(4)从图l的高性能碳纤维T800和T1000的断面可以看出，致密而无明显的皮芯结构，这是高性能碳纤维必备的结构特征，即结构均质化。为制得均质碳纤维，应从聚合和纺丝开始，即原丝没有明显的皮芯结构，预氧化制得均质预氧丝，才能制得没有皮芯结构的高密度碳纤维。2干喷湿纺装置干喷湿纺装置一般是立

8、式喷丝，以实现于喷湿纺工艺。图2是各种干喷湿纺的实验装置，大致可分为3种类型：(1)图2中的①是通用的干喷湿纺装置。从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴b，完成了