聚丙烯腈碳纤维的制备及应用进展.pdf

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1、第39卷．第6期安徽化工Vo1．39．No．6．Dec．2013132013年12月ANHUICHEMICALINDUSTRY聚丙烯腈碳纤维的制备及应用进展陈群，宋会青，刘化虎，崔怀涛(安徽首文碳纤维有限公司，安徽蚌埠233010)摘要：综述了聚丙烯腈碳纤维的发展历程、制备工艺以及应用情况。关键词：聚丙烯腈；碳纤维；发展；应用doi：10．3969~．issn．1008—553X．2013．06．003中图分类号：TQ342~．742文献标识码：A文章编号：1008-553X(2013)06-0013

2、-04碳纤维是一种力学性能优异的新型炭材料，含碳量年代末期开始研究PAN纤维的预氧化和碳化，并于一般在90％以上，其中含碳量高于99％的称石墨纤维。1959年申请了专利。1961年进藤昭男公开了PAN制备碳纤维是由原丝在一定的温度、张力下，经过一定时间碳纤维的技术。1966年英国皇家航空研究所的Watt及的预氧化、碳化等处理过程制成。其不仅具有碳材料的其同事在预氧化过程中对纤维施加张力，大大提高了固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性⋯。PAN碳纤维的力学性能，为制取高性能碳纤维开辟了新制造碳纤维

3、的原料主要有纤维素、沥青、聚丙烯腈、的技术途径。目前，日本东丽公司(Toray)生产的PAN碳聚乙烯醇、酚醛树脂、聚氯乙烯等。工业化生产的碳纤维纤维品质和产量都可代表当今世界的最高水平。按原料可分为聚丙烯腈fPAN)碳纤维、粘胶碳纤维和沥1．2分类青碳纤维j大类。其中，PAN碳纤维生产工艺相对其它目前市场上有多种牌号的PAN碳纤维，按力学性类型的碳纤维简单，碳化收率较高，且力学性能优异，是能可以分为通用级碳纤维、高强度碳纤维、高模量碳纤当前碳纤维_丁业生产的主流，市场上可见的90％以上都维、高强高模碳

4、纤维。按丝束的大小可分为大丝束和小为PAN碳纤维1。丝束，大丝束一般指48～480K，一般应用于大丁业生产；1碳纤维的发展小丝束一般指1～24K(1K指一束碳纤维含1000根单1．1发展历程丝)，通常应用于航天航空领域。十八世纪中期，英国人斯旺和美国人爱迪生利用竹2PAN碳纤维的制备子和纤维素纤维等天然纤维经过一系列后处理而制成PAN碳纤维的制备流程长、过程复杂，主要可分三了碳纤维，将其用作灯丝并且申请了专利。日本进藤昭步：首先，用丙烯腈(AN)单体经聚合得到纺丝原液；第男首先发明用PAN纤维制造碳纤

5、维。他从二十世纪50二步，由纺丝原液制备PAN原丝；第三步，PAN原丝的一聚合一匝一—回。眦JJ200(~3000~C)IOOO-1500~C)气氛圈L——————_J2颅00-300~C)。U·表L浆}一浆图1PAN碳纤维制备工艺流程图收稿El期：2013—07—25作者简介：陈群(1970一)，男，毕业于四川大学，从事聚丙烯腈碳纤维的生产和管理工作，18715261923，0552—3081689，shq321102@sohumm。陈群，等：聚丙烯腈碳纤维的制备及应用进展15湿纺技术，由干湿纺技术

6、制备出来的PAN原丝和碳纤分解产生的废气，若纤维降解产生的小分子得不到瞬时维的力学性能要高于湿纺PAN原丝及其碳纤维，截面排除，则会形成焦油，造成纤维粘连，从而影响碳纤维的形状的控制也比湿纺要容易，并且纺丝速度要比湿纺高质量。这点笔者在碳纤维生产过程中深有体会，由于气很多。干纺所采用的PAN纺丝液固含量和干湿纺差不氛差或者排气不畅等原因，从低温炉出来的纤维上经常多，但该工艺制备出来的PAN原丝及其碳纤维的力学附着有焦油状固体物质，附有这些物质的纤维经过高温性能都低于干湿纺技术。炭化后，碳纤维质量明显下

7、降。因此，碳化过程中废气一2．3预氧化、碳化定要及时排放。2．3．1预氧化2．4碳纤维表面处理及上浆预氧化在PAN碳纤维制备过程中起着承前启后的经过高温碳化后的碳纤维，其主要成分为碳元素，作用，是连接有机PAN原丝和无机PAN碳纤维的桥因此其表面活性降低，表面张力降低，与基体树脂的浸梁，是制备PAN碳纤维的关键步骤。预氧化是聚丙烯腈润性变差。在用作复合材料制备时导致材料的层间剪切原丝在空气气氛下，通过200～300℃的温区，施加一定强度降低，不能满足实用设计要求。因此，需对碳纤维表的张力进行结构转变得

8、到预氧丝。预氧化的目的：使热面进行处理。塑性聚丙烯腈线性大分子转化为非热塑性耐热梯形结碳纤维表面处理的方法较多，主要有空气氧化法、构，使其在碳化高温下不熔不燃，保持纤维形态，最终转液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法等，但是化为具有乱层石墨结构的碳纤维。能在碳纤维生产线上配套使用的方法较少l121。在上述碳预氧化过程中会发生一系列复杂的化学反应过程，纤维表面处理方法中，空气氧化法简单，耗时少，但氧化包括环化反应、氧化反应、脱氢反应。关于这方面的理论反