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　　聚丙烯腈碳纖維的工藝流程

　　1.概述 概述碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它不僅具有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

　　聚丙烯碳纖維是一種以聚丙烯腈(PAN)、瀝青、粘膠纖維等為原料，經(jīng)預(yù)氧化、碳化、石墨化工藝而制得的含碳量大于90％的特種纖維。

　　碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、減震等優(yōu)異性能，是航空航天、國防軍事工業(yè)不可缺少的工程材料，同時(shí)在體育用品、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械和土木建筑等民用領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

　　PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品綜合性能好，因而發(fā)展很快，產(chǎn)量占到90％以上，成為最主要的品種。

　　2.制備 制備聚丙烯腈碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料制成的碳纖維，主要作復(fù)合材料用增強(qiáng)體。

　　無論均聚或共聚的聚丙烯腈纖維都能制備出碳纖維。

　　為了制造出高性能碳纖維并提高生產(chǎn)率，工業(yè)上常采用共聚聚丙烯腈纖維為原料。

　　對(duì)原料的要求是：雜質(zhì)、缺陷少；細(xì)度均勻，并越細(xì)越好；強(qiáng)度高，毛絲少；纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好，通常大于80%；熱轉(zhuǎn)化性能好。

　　生產(chǎn)中制取聚丙烯腈纖維的過程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三單體(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈樹脂(分子量高于6～8萬)，然后樹脂經(jīng)溶劑(硫氰酸鈉、二甲基亞礬、硝酸和氯化鋅等)溶解，形成粘度適宜的紡絲液，經(jīng)濕法、干法或干濕法進(jìn)行紡絲，再經(jīng)水洗、牽伸、干燥和熱定型即制成聚丙烯腈纖維。

　　若將聚丙烯腈纖維直接加熱易熔化，不能保持其原來的纖維狀態(tài)。

　　因此，制備碳纖維時(shí)，首先要將聚丙烯腈纖維放在空氣中或其他氧化性氣氛中進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，即預(yù)氧化處理。

　　預(yù)氧化處理是纖維碳化的預(yù)備階段。

　　一般將纖維在空氣下加熱至約270℃，保溫0.5h～3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預(yù)氧化纖維。

　　這是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后，發(fā)生氧化、熱解、交聯(lián)、環(huán)化等一系列化學(xué)反應(yīng)形成耐熱梯型高分子的結(jié)果。

　　再將預(yù)氧化纖維在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫處理(l600℃)，即碳化處理，則纖維進(jìn)一步產(chǎn)生交聯(lián)環(huán)化、芳構(gòu)化及縮聚等反應(yīng)，并脫除氫、氮、氧原子，最后形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層片粗糙平行的亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。

　　由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下：PAN原絲→預(yù)氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。

　　3.性能 性能碳纖維有如下的優(yōu)良特性：①比重輕、密度小；②超高強(qiáng)力與模量；③纖維細(xì)而柔軟；④耐磨、耐疲勞、減振吸能等物理機(jī)械性能優(yōu)異；⑤耐酸、堿和鹽腐蝕，可形成多孔、表面活性、吸附性強(qiáng)的活性碳纖維；⑥熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高，不出現(xiàn)蓄能和過熱；高溫下尺寸穩(wěn)定性好，不燃，熱分解溫度800℃，極限氧指數(shù)55；⑦導(dǎo)電性、X射線透過性及電磁波遮蔽性良好；⑧具有潤滑性，不沾潤在熔融金屬中，可使其復(fù)合材料磨損率降低；⑨生物相容性好，生理適應(yīng)性強(qiáng)。

　　4.應(yīng)用 4.1航空航天碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度(比模量)、耐高溫、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，是導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、雷達(dá)等結(jié)構(gòu)上不可或缺的戰(zhàn)略材料。

　　航空則以客機(jī)、直升機(jī)、軍用機(jī)為主要應(yīng)用對(duì)象。

　　4.2文體和醫(yī)療用品文體休閑用品是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域，高爾夫球桿、網(wǎng)球拍和釣魚桿是三大支柱產(chǎn)品，其次是自行車、賽車、賽艇、弓箭、滑雪板、撐桿和樂器外殼等。

　　醫(yī)療領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)上用的移植物、縫合線、假肢、人造骨骼、韌帶、關(guān)節(jié)以及x光透視機(jī)等。

　　4.3一般工業(yè)碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)用于汽車骨架、活塞、傳動(dòng)軸、剎車裝置等；在能源領(lǐng)域應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電葉片、新型儲(chǔ)能電池、壓縮天然氣貯罐、采油平臺(tái)等；碳纖維因其質(zhì)輕高強(qiáng)和極好的導(dǎo)電性及非磁性而在電子工業(yè)中用于制備電子儀器儀表、衛(wèi)星天線、雷達(dá)等；碳纖維增強(qiáng)材料(CFRC)與鋼筋混凝土相比，抗張強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度高5-10倍，彎曲韌度和伸長應(yīng)變能力高20~30倍，重量卻只有l(wèi)/2，已被廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)工程中。