碳纖維的生產(chǎn)制備

carbonfiber—碳纖維材料結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系1碳纖維構(gòu)件利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。碳纖維瓦碳纖維布加固修補結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達(dá)到對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補強的目的。

碳纖維橋2007年5月10日，荷蘭建成世界上最長的碳纖維復(fù)合材料橋。該橋長24.5米，寬5米。碳纖維結(jié)構(gòu)材料用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機艙、整流罩及座板等碳纖維是一類由人造纖維或合成纖維為母體，經(jīng)過高溫（1000℃以上）處理后制得的含碳量達(dá)到90%以上的無機纖維材料。碳纖維生產(chǎn)原料有三種:黏膠纖維、瀝青纖維和聚丙烯腈(PAN)纖維。以PAN纖維作為原料制得碳纖維，因其產(chǎn)品力學(xué)性能良好、生產(chǎn)工藝簡單以及碳化收率高，得到大力發(fā)展，成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流。3原料含碳量%碳化收率（cf/原料）碳化收率（cf碳含量/原料碳含量）聚丙烯腈纖維6840~6060~85粘膠纖維4521~4045~85瀝青纖維9580~9085~95ACBD4導(dǎo)熱性高X射線透射率耐磨性耐腐蝕性抗疲勞強度比重彈性模量抗拉強度碳纖維材料與其他加固材料對比PAN基碳纖維的制備流程2/3/2023退絲去捻上油預(yù)氧化低溫碳化高溫碳化表面處理水洗干燥上漿干燥收卷成品包裝廢氣處理預(yù)氧化過程照片展示PAN原絲的線型分子鏈轉(zhuǎn)化為具有耐熱梯型結(jié)構(gòu)的預(yù)氧絲，能夠在惰性氣體（N2)保護(hù)下的高溫碳化環(huán)境中不融不燃，保持纖維狀態(tài)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。7原絲預(yù)氧化分為6個溫區(qū)，溫度呈梯度分布，逐步提高。6個區(qū)的預(yù)氧絲照片對比一區(qū)（180-220℃）二區(qū)（210-235℃）三區(qū)（230-250℃）四區(qū)（240-255℃）五區(qū)（250-265℃）六區(qū)（250-275℃）預(yù)氧化過程反應(yīng)機理010203共聚單體引發(fā)環(huán)化氧化反應(yīng)0102039放熱脫氫反應(yīng)低溫碳化爐高溫碳化爐碳化是一復(fù)雜的物理、化學(xué)變化和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化過程，是在惰性氣體（N2）保護(hù)下發(fā)生熱分解、熱縮聚過程，其結(jié)果是將預(yù)氧絲的梯型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為碳纖維的亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳化全過程可以分為低溫碳化和高溫碳化兩個階段，前者的溫度一般為300~1000℃，后者為1100~1600℃。

碳化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)

NH3的釋放在預(yù)氧化過程中，亞氨基是環(huán)化過程中傳質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元，一旦NH3釋放就意味著失活而芳構(gòu)化反應(yīng)的終止。

水的脫除700℃之前，釋放的相當(dāng)量的水主要是含氧基團發(fā)生分子間縮聚反應(yīng)所致。CO和CO2的釋放碳化過程釋放CO和CO2是發(fā)生以下反應(yīng)①熱解反應(yīng)有關(guān)，即未被結(jié)合到梯型結(jié)構(gòu)中的含氧基團被熱解。②來源于-CN基團的水解HCN的釋放在1000℃之前，HCN釋放有兩個高峰，一個是在300~500℃之間，另一個在700~1000℃之間。前者可能是未進(jìn)入梯型結(jié)構(gòu)的氰基進(jìn)行熱解的釋放。后者可能是因小的芳構(gòu)化片之間縮聚的副產(chǎn)物。N2的釋放在PAN原絲中，含氮量約為20%左右，轉(zhuǎn)化為預(yù)氧絲后含氮量仍保持在20%左右。在碳化過程中，1000℃之前N以NH3和HCN脫除，使得含氮量大幅降低，在900~1300℃是脫氮高峰區(qū)，是固相縮聚的副產(chǎn)物。碳纖維表面處理的目的碳纖維表面處理的途徑13①清除表面雜質(zhì)；②在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，增加表面能；③引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團并能與樹脂起作用的中間層如—COOH，—NH2，—OH等。提高碳纖維增強復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強度。電化學(xué)氧化法以碳纖維為陽極，石墨板為陰極，在電解質(zhì)溶液中于一定電流密度下，靠電解作用產(chǎn)生的初生態(tài)氧對碳纖維進(jìn)行氧化刻蝕，并形成含氧官能團。上漿處理的目的①保護(hù)纖維表面的活性基團；②可以使碳纖維具有良好的集束性，從而使纖維以后的纏繞織造工藝操作簡單，并且纖維束損