2.1.1 聚丙烯腈基炭纖維

聚丙烯腈炭纖維是由單體丙烯腈經(jīng)自由基聚合反應(yīng)而得到外觀為白色粉末狀的聚丙烯腈[見(jiàn)式(2-1)], 然后經(jīng)過(guò)熔融紡絲, 預(yù)氧化炭化后而得到的炭纖維長(zhǎng)絲。 

聚丙烯腈原料的好壞直接影響制品性能的優(yōu)劣以及制品的最終應(yīng)用, 而制備工藝同樣對(duì)制品的最終性能產(chǎn)生重要的影響。全過(guò)程連續(xù)進(jìn)行, 任何一個(gè)工序出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響穩(wěn)定生產(chǎn)和炭纖維產(chǎn)品的質(zhì)量(見(jiàn)圖2-2)。因此盡管擁有合格的PAN 原絲, 但要想得到合乎要求的炭纖維必須進(jìn)行工藝條件的合理優(yōu)化。圖2-3是PAN基炭纖維的生產(chǎn)工藝流程圖。

圖2-2 聚丙烯腈炭纖維的制造工藝流程

圖2-3 PAN基炭纖維生產(chǎn)工藝流程圖

聚丙烯腈原絲在預(yù)氧化、 炭化過(guò)程中, 原絲中所含有氮、 氧、 氫等元素, 以H2O、 HCN 、 CO2 、 NH3 和N2 等形式釋放。其預(yù)氧化、 炭化過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)反應(yīng)(2-2)、(2-3)。 

聚丙烯腈原絲在預(yù)氧化過(guò)程中為了使纖維內(nèi)部分子保持原狀必須加張力, 張力的施加是生產(chǎn)高強(qiáng)度炭纖維的必要措施。預(yù)氧化過(guò)程是在有氧的環(huán)境中進(jìn)行的。預(yù)氧化設(shè)備是這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵, 目前有內(nèi)循環(huán)式、 外循環(huán)式、 固-固傳熱式、 氣-固-固傳熱式和混合式等。

預(yù)氧絲的炭化過(guò)程(圖2-6)是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行的, 期間在非碳元素排出的同時(shí), 其結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。在炭化過(guò)程中張力設(shè)備同樣是不可缺少的。圖2-4顯示不同溫度條件下炭纖維內(nèi)部晶體結(jié)果的演變過(guò)程。

圖2-4 炭纖維微晶隨溫度的變化示意圖

隨著炭化溫度的不斷升高, 炭纖維中石墨微晶結(jié)合得更加緊密, 炭纖維的模量也不斷提高, 而強(qiáng)度的變化卻隨著溫度的升高先增加(1600~1700 ℃最高)而后降低[2], 見(jiàn)圖2-5。

圖2-5 炭纖維力學(xué)性能與溫度的關(guān)系