PAN碳纖維產(chǎn)業(yè)化過程中的幾項關鍵技術的研究

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　　具有自主知識產(chǎn)權的PAN碳纖維及相關高性能樹脂基復合材料是發(fā)展先進航空航天、戰(zhàn)略國防裝備以及高技術民用裝備與產(chǎn)品的重要物質(zhì)基礎。在PAN碳纖維的產(chǎn)業(yè)化過程中，有必要對聚合原料的純化、上漿劑及表面處理等3項關鍵技術進行深入細致的研究，以利于提高PAN碳纖維的性能。
1. 聚合原料的純化
　　聚合原料中存在的大量的無機和有機雜質(zhì)對聚合反應本身乃至碳纖維的性能有著極大的影響：(1) 無機雜質(zhì)：所有金屬離子對提高碳纖維的性能都是有害的：一方面堿金屬是碳的氧化催化劑，而且在PAN原絲的高溫處理過程中會逐漸逸出，留下孔隙缺陷；另一方面過渡金屬在高溫下可與碳形成共熔體或金屬碳化物，破壞了碳纖維結晶的連續(xù)性。而且鐵離子是聚合體系的高效阻聚劑。(2)有機雜質(zhì)：它們的存在將會在聚合過程中破壞樹脂結構的規(guī)整性；在高溫炭化過程中分解放出大量氣體，使纖維產(chǎn)生孔隙缺陷，同時生成焦油狀物質(zhì)粘附在纖維的表面，對炭化的質(zhì)、能傳遞過程不利。因此為了保證原絲的質(zhì)量，必須在聚合前純化兩種主要的聚合原料：丙烯腈和二甲基亞砜，通過離子交換的方法大大降低其中的金屬離子的含量，使之符合聚合的要求。
2. 上漿劑的研制
　　在碳纖維材料的應用中，由聚丙烯睛原絲經(jīng)過氧化、石墨化以及后續(xù)表面電化學處理工序之后，碳纖維表面的表面上漿成為編織構件并進一步浸漬復合材料樹脂之前的不缺少的關鍵工序，上漿層樹脂在增進碳纖維與復合材料基體相互結合力，提高碳纖維復合材料綜合力學性能中具有關鍵性的作用，因此上漿劑與配套上漿工藝技術為研制碳纖維材料需要解決的一項重要關鍵技術。國際上研制與應用水基溶液性碳纖維上漿劑已經(jīng)成為發(fā)展的一個技術方向，可以采用與碳纖維復合材料基體樹脂相容性良好的高分子樹脂，研制乳液粒徑數(shù)百納米并具有良好儲存與稀釋穩(wěn)定性的水溶性上漿劑乳液。
3. 電化學氧化方法處理碳纖維表面
　　由于PAN碳纖維表面的惰性，在進行材料加工，如制作碳纖維基體層壓復合材料時，為提高碳纖維編織物之間的結合強度，必須對碳纖維表面進行改性處理。
　　碳纖維表面的處理方方法眾多，最常用也是較成熟的是對碳纖維進行電化學氧化處理?？梢允褂锰妓釟浒彼芤?，所要處理的碳纖維作為陽極，不銹鋼板或鎳板為陰極，在恒電流下進行氧化處理。用XPS，AFM分析碳纖維表面含氧官能團和表面微觀形貌的變化過程表明，電化學氧化處理是表面碳及其含氧官能團逐步被氧化成羧基和CO2的過程, 同時，氧化后，纖維表面的氧和氮含量大幅提高，甚至還有酰胺基被引到纖維表面。氧化處理首先是使碳纖維表面變得更光滑，持續(xù)氧化后才會出現(xiàn)溝槽。
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說起來容易，做起來難。原材料的純化是何等的困難。想在國內(nèi)買到99.95%的光譜純的丙烯腈幾乎是不大可能。而且也進口的價格太高，我們也承受不起。要知道99.5%的價格要比95%高10倍。

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再就是丙烯腈的聚合，如何得到分子量大且單分散的聚丙烯腈也是相當困難。而且本身原料就不夠純，我們從一開始就落后了。所以要制取高檔的原絲，必須整體提高中國的化工水平才行。
  據(jù)說東華大學的王華平教授已經(jīng)采用離子液體法制取的分子量大且分子量分布較均勻的聚丙烯腈。

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然后是紡絲，紡絲這塊國內(nèi)已經(jīng)做得非常好了。達到世界一流水平。
再就是預氧化，對于這一塊，世界各國對其反應機理都不是了解。只是一些人做了一些假設和推斷。
預氧化過程極其復雜，預氧化的溫度，時間，牽引力，媒介（主要是空氣，N2，氨氣等）等對預氧化程度影響都很大。而且大家對達到什么樣的預氧化程度為好都沒有一個定論。大家都知道，在較低的溫度（220度左右），適當延長預氧化時間，預氧絲的質(zhì)量較好，但會大大降低其生產(chǎn)效率。

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碳化：預氧絲在600-1200度的高純N2中從耐熱梯形結構轉變?yōu)閬y層石墨結構，且伴隨熱解，釋放許多小分子副產(chǎn)物。同時，非碳元素O、N、H逐步被驅逐，C逐步富集，最終生成含碳量再90%以上的碳纖維。同預氧化過程一樣，溫度、時間、牽伸力等對其性能影響也較大。

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石墨化：碳纖維在2000-3000度的高純氬氣氛圍內(nèi)從亂層石墨結構轉變?yōu)榻Y晶度較高的石墨結構。其含碳量進一步提高，可達到約99%?？娠@著提高碳纖維模量。
活化：碳纖維在600-1000度的N2氛圍內(nèi)，通過通入水蒸氣使其發(fā)生活化反應，制得比表面積大的活性碳纖維。

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活化后的碳纖維的表面有很多細小的空洞，可顯著提高碳纖維的比表面積?？勺鳛槲讲牧稀；钚蕴祭w維與樹酯的粘結性也會比普通的碳纖維好很多，由其制得的復合材料的力學性能也會高出很多。
用140度的王水來腐蝕碳纖維也是一種制得活性碳纖維的辦法。只是危險性較大。