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　　工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生產(chǎn)前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大，設備復雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調(diào)制復雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展;由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。

　　工藝流程

　　碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得。應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化(預氧化)、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環(huán)化、預氧化、氧化及脫氧等。

　　從粘膠纖維制取高力學性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大、設備復雜，產(chǎn)品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用;由瀝青制取碳纖維，原料來源豐富，碳化收率高，但因原料調(diào)制復雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展;由聚丙烯腈纖維原絲可制得高性能的碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其它方法簡單力學性能優(yōu)良，自20世紀60年代后在碳纖維工業(yè)發(fā)展良好。

　　聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個過程。

　　原絲生產(chǎn)過程主要包括聚合、脫泡、計量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等工序。

　　碳化過程主要包括放絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘干、收絲卷繞等工序。

　　PAN基碳纖維的制備

　　聚丙烯腈碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料制成的碳纖維，主要作復合材料用增強體。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。對原料的要求是：雜質(zhì)、缺陷少;細度均勻，并越細越好;強度高，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到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)。制備碳纖維時，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行低溫熱處理，即預氧化處理。預氧化處理是纖維碳化的預備階段。一般將纖維在空氣下加熱至約270℃，保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預氧化纖維。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)化等一系列化學反應形成耐熱梯型高分子的結果。再將預氧化纖維在氮氣中進行高溫處理1600℃的碳化處理，則纖維進一步產(chǎn)生交聯(lián)環(huán)化、芳構化及縮聚等反應，并脫除氫、氮、氧原子，最后形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結構和層片粗糙平行的亂層石墨結構的碳纖維。

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

　　第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強度和質(zhì)量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預處理成中間相、預中間相(苯可溶各向異性瀝青)和潛在中間相(喹啉可溶各向異性瀝青)等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。

　　第二、預氧化(聚丙烯腈纖維200到300℃)、不融化(瀝青200到400℃)或熱處理(粘膠纖維240℃)，以得到耐熱和不熔的纖維，酚醛基碳纖維無此工序。

　　第三、碳化，其溫度為：聚丙烯腈纖維1000到1500℃，瀝青1500到1700℃，粘膠纖維400到2000℃。

　　第四、石墨化，聚丙烯腈纖維為2500到3000℃，瀝青2500到2800℃，粘膠纖維3000到3200℃。

　　第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。

　　第六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結構。

　　技術要點

　　要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術要點：

　　(1)實現(xiàn)原絲高純化、高強化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。

　　(2)雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。

　　(3)在預氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。

　　(4)研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態(tài)下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。