【精品】聚丙烯腈基碳纤维的研究现状与发展趋势

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1、2007人庆右化情报课题聚丙烯睛基碳纤维的研究现状与发展趋势尚印锋大庆石化公司睛纶厂技术科2007年11月26日聚丙烯睛基碳纤维的研究现状与发展趋势1、前言：碳纤维是一种以聚丙烯脯(PAN)、沥青、粘胶维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化而制得的含碳人予90%的高强、高模、耐高温特种纤维。既有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性,具有很高的抗拉强度和模量。其强度约为钢的4倍，密度为钢的1/4,因此，具有很高的比强度和比模量，加上它具有耐高温、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、导电、耐化学腐蚀、抗蠕变等一系列优良性能，一经问世，便为航空领域所青睐，在体育娱乐、休闲用品、医疗卫生

2、土木建筑方面也有广泛应用，是一种属于军民两用的科技纤维。已成为结构材料、功能材料的佼佼者，从军工、到民用，在各个领域中广泛应用，被誉为21世纪最有生命力的新型材料其中PA基碳纤维由于生产工艺简单、产品力学性能良好•因发展较快，成为最主要和占绝对地位的品种。聚丙烯月青(PAN)基碳纤维由于具有较高的抗拉强度、弹性模量和碳化收率，成为当前碳纤维工业生产的主流。有关碳纤维的研制和开发在一些发达国家倍受重视，它的研制和开发在新技术革命中占有重要地位。目前工业生产中主要采用聚丙烯丿J青(PAN纤维、沥青纤维或粘胶纤维为原丝来生产碳纤维。由于PAN原丝能制得高性能碳纤维，且生产工艺较其他方

3、法简单，产品的力学性能良好，因而得到迅速的发展。碳纤维的研制是近年来发展起来的，聚丙烯膳(PAN)基碳纤维研制的先驱工作是日本的进滕等人在20世纪60年代第一个用PAN纤维作原丝制成了PAN基碳纤维，这一工艺很快受到重视。并实现了通用型PAN基碳纤维的工业化生产。而英国在此基础上很快开发了高性能的PAN基碳纤维的牛产技术，处于了领先地位。20世纪70年代后，由于美国航天工业的高速发展，极大地促进了PAN基碳纤维的发展，从此世界上臥N基碳纤维的总需求量逐年增多。2、碳纤维分类及性能按原料体系主要有聚丙烯月青基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。2.1粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维是最早

4、用于制取碳纤维的原丝，但由于粘胶纤维的理论总碳量为44.5%,实际制造过程中损失，实际收率仅为30%以下,目前，世界上仅有少数几家工厂采用粘胶纤维生产碳纤维，用于航天等对纤维的碱金属含量及物理机械性能的要求比较苛刻的特殊领域。2.2沥青碳纤维沥青碳纤维的碳化率比聚丙烯月青纤维高，原料沥青的价格也低，在理论上这些差别使沥青碳纤维的成本低，但实际上要制得高性能碳纤维要除去沥青中的杂质，这乂使其成本大大提高，这使高性能沥青碳纤维的成木比聚丙烯月青碳纤维的成本高。2.3聚丙烯月青碳纤维聚丙烯腊碳纤维的碳化率比粘胶纤维高，可达45%以上，而且生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比粘胶纤维

5、简单、成本地，加上聚丙烯膳基碳纤维的力学性能、尤其是抗拉强度、抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以目前的应用领域最广，产量也最大，是碳纤维屮最重要的一个品种。2.4碳纤维的性能碳纤维的化学性能与碳十分相似，在空气中当温度高于400°C吋即发生明显的氧化，氧化产物CO,、CO在纤维表面散失，所以其在空气中的使用温度不能太高一般在360°C以下。但在隔绝氧的情况下，使用温度可大人捉高到1500〜2000oc,而且温度越高，纤维强度越人。碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)。碳纤维有如下的优良特性:①比重轻、密度小；②超高强力与模量；③纤维细而柔软；④耐磨、耐

6、疲劳、减振吸能等物理机械性能优异：⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热高温下尺寸稳定性好,不燃,热分解温度800oc,极限氧指数55,仅次于PBO纤维(LOI68)；⑦导电性x射线透过性及电磁波遮蔽性良好；⑧具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨生物相容性好，生理适应性强。3、国内外碳纤维的发展历史与现状3.1国内发展状况我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。但由于种种原因，我国碳纤维工业至今产业化规模不大，仍处于中试放大阶段，与国外先进水平存在着明显的差距。

7、1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到LI本东丽公司的T200,国内也叫做高强I型碳纤维。我国从“六五"开始研制高强II型碳纤维（和当于T300）,但历经20年，产品性能指标仍耒达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。近年來，随着市场需求的近年來，随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年都需从国外进口一些碳纤维以满足要求，我国每年用量逐年增加，2005年达到5000吨/年以上，年增长率在20%以上