2.1.1 聚丙烯腈基炭纤维

聚丙烯腈炭纤维是由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到外观为白色粉末状的聚丙烯腈[见式(2-1)], 然后经过熔融纺丝, 预氧化炭化后而得到的炭纤维长丝。 

聚丙烯腈原料的好坏直接影响制品性能的优劣以及制品的最终应用, 而制备工艺同样对制品的最终性能产生重要的影响。全过程连续进行, 任何一个工序出现问题都会影响稳定生产和炭纤维产品的质量(见图2-2)。因此尽管拥有合格的PAN 原丝, 但要想得到合乎要求的炭纤维必须进行工艺条件的合理优化。图2-3是PAN基炭纤维的生产工艺流程图。

图2-2 聚丙烯腈炭纤维的制造工艺流程

图2-3 PAN基炭纤维生产工艺流程图

聚丙烯腈原丝在预氧化、 炭化过程中, 原丝中所含有氮、 氧、 氢等元素, 以H2O、 HCN 、 CO2 、 NH3 和N2 等形式释放。其预氧化、 炭化过程的化学反应式见反应(2-2)、(2-3)。 

聚丙烯腈原丝在预氧化过程中为了使纤维内部分子保持原状必须加张力, 张力的施加是生产高强度炭纤维的必要措施。预氧化过程是在有氧的环境中进行的。预氧化设备是这个过程的关键, 目前有内循环式、 外循环式、 固-固传热式、 气-固-固传热式和混合式等。

预氧丝的炭化过程(图2-6)是在惰性气体保护下进行的, 期间在非碳元素排出的同时, 其结构也在发生变化。在炭化过程中张力设备同样是不可缺少的。图2-4显示不同温度条件下炭纤维内部晶体结果的演变过程。

图2-4 炭纤维微晶随温度的变化示意图

随着炭化温度的不断升高, 炭纤维中石墨微晶结合得更加紧密, 炭纤维的模量也不断提高, 而强度的变化却随着温度的升高先增加(1600~1700 ℃最高)而后降低[2], 见图2-5。

图2-5 炭纤维力学性能与温度的关系