国产高性能聚丙烯腈基碳纤维技术特点及发展趋势

 聚丙烯腈基碳纤维兼具高性能和低比重,是轻质高强、轻质高模等高端装备轻量化的首选材料,是高性能纤维的典型代表,受到世界各国政府、国防与工业领域、科技与产业界的高度关注。从聚丙烯腈碳纤维材料的结构性能特征出发,介绍了聚丙烯腈基碳纤维制备的工艺流程、结构与性能的相关性;从高强碳纤维被发明、高强中模碳纤维因需求牵引而研发成功、更高性能碳纤维的不断创新发明,直至进入新世纪后对高性能低成本化的重视,阐述了国际聚丙烯腈基碳纤维技术发展的4个关键阶段;分析了国产碳纤维通过自主创新,建立以二甲基亚砜为主、包含其他工艺技术的发展历程。从高强和高强中模碳纤维、高模和高模高强碳纤维、低成本大丝束碳纤维的国产化有序发展,展示了碳纤维国产化技术水平不断提高、碳纤维制备与应用不断融合的现状。最后结合国际技术发展动态和中国碳纤维技术积累基础,提出了开展颠覆性技术研究的建议,认为新型聚丙烯腈成纤技术、原材料创新和碳纤维制备过程新型热源技术等值得高度关注。     

国产与进口聚丙烯腈基碳纤维的结构和性能

测定了国产ＰＡＮ基碳纤维和进口碳纤维Ｔ３００的力学性能，用化学分析，扫描电镜，Ｘ射线衍射等方法研究了２种碳纤维的化学成分，表面形态，断口形貌及微晶结构参数，分析了原丝的结构对碳纤维的结构和性能的影响，以及碳纤维的结构和性能的关系。     

PAN基高性能碳纤维的制备及其性能的研究

碳纤维（简称ＣＦ）是一种新型高强度材料。本研究工作采取连续预氧化碳化方式，探索ＣＦ制备过程中工艺－结构－性能之间的关系。利用光学显微镜，密度，ｘ－射线衍射，元素分析等技术和测试手段重点研究工艺参数对ＣＦ结构性能的影响。实验结果表明，ＣＦ的结构性能与工艺条件有着密切关系，通过控制ＣＦ有关的制备工艺参数，可以制得高性能碳纤维。     

新型聚丙烯腈基活碳纤维非织造布的生产方法

探讨了采用特种聚丙烯纤维（PANF）与粘胶纤维（VF）混纺制备针刺非织造布，经预氧化、炭化、活化制备聚丙烯腈基活性碳纤维非织造布的生产工艺，产品性能及应用。     

某国产聚丙烯腈原丝的预氧化研究

在炭纤维生产线上对某国产聚丙烯腈(PAN)原丝进行预氧化处理,采用差示扫描量热法(DSC)对该国产聚丙烯腈原丝进行热分析,确定预氧化温度,采用元素分析仪、傅里叶转换红外光谱仪(FTIR)和X线衍射仪(XRD)等检测方法对不同预氧化阶段的纤维进行研究.研究结果表明:随着预氧化温度的升高,纤维的密度逐渐增加,最终密度达到1.366 g/cm3;纤维的含氧量随温度的升高而增加,且温度越高,增加越快,而其他元素变化缓慢;FTIR结果显示2 243.1 cm-1(C≡N)振动峰逐渐降低,新出现的1 612.2 cm-1(C=N)振动峰逐渐加强,表明纤维内线性分子链向耐热的梯形结构转变;X线衍射结果显示17°和29°附近的衍射峰强度逐渐减小,由较宽的衍射峰替代,表明纤维内发生收缩解取向,原序态结构消失,形成堆积较混乱的且不规则的梯形聚合物.     

碳纤维用PAN原丝的结构与性能

采用以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂的连续溶液聚合和一步湿法纺丝技术，在10t／a中试实验装置上成功地制备了碳纤维用聚丙烯腈（PAN）原丝批量产品。通过不断地优化聚合和纺丝工艺条件，实现了PAN原丝的中试稳定化。实验结果表明，采用连续溶液聚合技术在实现单体高度转化的同时获得了高分子量的PAN共聚物，通过调整凝固成型工艺条件和牵伸配比制备了具有圆形截面且结构致密的高取向度PAN原丝。将批量PAN原丝产品进行预氧化、低温碳化和高温碳化后．获得PAN基碳纤维，其束丝强度、模量和断裂伸长率的平均值分别达到3．74GPa，223GPa和1．7％。     

国产与英国聚丙烯腈原丝的结构和性能分析

测定了国产原丝和进口原丝的力学性能，并用化学分析、凝胶渗透色谱仪、Ｘ衍射仪、热分析仪、扫描电镜和光学显微镜等手段，对原丝的化学成分、分子量、热性能、结晶度、取向度以及微观结构进行了研究，在此基础上，分析了讨论了原丝结构的性能之间的相互关系。     

碳化温度对聚丙烯腈基碳纤维结构与性能的影响

利用近代测试技术对聚丙烯腈基预氧丝在不同温度下碳化时其结构与性能的变化作了探讨,得出了一些规律。     

聚丙烯腈（PAN）原丝在预氧化过程中的热机械行为— …

运用自制热机械模试装置对几种商业用ＰＡＮ原丝在预氧化过程中的热机械行为进行了测定,从收缩应力变化结果发现,其应力变化曲线均存在两个特征峰,即在物理变化区和化学变化区内的收缩应力峰。物理收缩应力峰大小与原丝的加工热历史密切相关。对两种不同热历史的ＰＡＮ纤维进行了连续预氧化及碳化实验,对比了所制得碳纤维的性能,从而通过对ＰＡＮ纤维的机械行为测定来 下原丝的质量优劣     

美、日、英高性能碳纤维技术与产业发展比较

 20世纪50年代末至70年代末是世界高性能碳纤维技术的快速发展期。本文梳理了这一时期高性能碳纤维技术的发展史;综述了美、日、英3国的3个企业、2个研究机构与5位科学家的关键技术贡献;运用态势分析方法,从科学研究、工业基础和发展环境3个方面,分析了美、日、英3国发展高性能碳纤维产业的关键成功因素,阐述了其产业结局不同的成因。     

Microstructure characterization of PAN preoxidation fibers prepared with radio frequency plasma

Preoxidation plays a critical role in preparing carbon fibers. The microstructures formed in this process with surface morphology, internal construction shape, or- dered interval structure, lattice size, etc. determine the final structures and properties …     

PAN纤维致密性与油剂渗透的相关性研究

通过调整成纤条件改变PAN纤维的致密程度,经后续的上油工序制得含有油剂的PAN纤维。采用体密度表征纤维的致密程度;借助直流电弧原子发射光谱(DC-Arc-AES)和电子探针(EPMA)分别表征Si原子含量及其微区分布;借助孔分析和粒度分析分别表征PAN纤维中的孔径分布和油剂分子的粒径。结果表明,油剂分子的平均粒径小于纤维的平均孔径,通过范德华力作用吸附于纤维表面,并从纤维表面的开孔渗透进入纤维内部,到达纤维的芯部。凝固浴温度升高,纤维的致密性下降,渗透进入纤维内部的油剂分子数量增加。凝固浴浓度上升、预牵伸倍数提高,纤维的致密性增加,渗透进入纤维内部的油剂分子数量减少。     

循环伏安法对PAN基高模碳纤维阳极氧化表面处理的研究

以未表面处理的PAN基高模碳纤维(HMCF)为工作电极,分别用NH4H2PO4、NH4HCO3和KOH为电解质,进行循环伏安多重扫描,以研究HMCF在不同电解质中的电化学反应行为以及电解质的氧化能力。同时采用连续恒流阳极氧化的方法对HMCF进行表面处理,验证循环伏安法得到的结论。通过联碱滴定、SEM等方法表征处理前后纤维表面官能团、表面形貌的变化;处理前后纤维与环氧树脂界面粘接性能的变化通过层间剪切强度(ILSS)表征。循环伏安结果显示:在NH4H2PO4溶液中扫描时氧化反应峰值电流最高,表明纤维表面生成的官能团最多;在KOH溶液中扫描时平台电流最高,表明纤维表面粗糙度提高幅度最大。联碱滴定结果表明NH4H2PO4溶液处理后纤维表面官能团含量提高最多;SEM结果显示KOH溶液处理后纤维表面粗糙度增加最明显;这两点验证了循环伏安多重扫描的结果。用NH4H2PO4、KOH处理后的纤维与环氧树脂ILSS达到75MPa、60MPa,分别提高240%和170%。     

预氧化温度对聚丙烯腈纤维皮芯结构形成的影响

在通常预氧化温度条件下,聚丙烯腈（PAN）纤维径向会产生结构不均匀的皮芯结构,从而影响最终炭纤维的力学性能。借助元素分析（EA）、差热分析（DSC）等表征手段和纤维皮芯结构等相关测试方法,系统研究了国内外五种PAN纤维在预氧化过程中生成皮芯结构与预氧化温度之间的关联性及纤维结构性能间的制约机制。研究结果表明：1）210～240℃间纤维的皮芯结构不明显,在240～260℃间预氧化反应剧烈,纤维皮芯比迅速增大,260～300℃范围内纤维皮芯比增长变慢;2）预氧化过程中PAN纤维皮芯结构的变化,与密度及化学反应速率等变化密切相联。因此可采用皮芯结构来表征PAN纤维在预氧化阶段的热化学反应与结构转化的程度。     

中国高性能碳纤维产业的创新发展

 介绍了碳纤维产业在中国从无到有的发展历程。中国碳纤维在产业化过程中解决了装备不足、成本偏高、应用设计能力缺乏等问题。以光威集团为例,阐释了中国企业在中国碳纤维产业发展中的突出作用。中国碳纤维研制目前面临4个问题：产业化工艺与装备核心技术仍未本质突破;碳纤维研制及应用重大基础科学问题尚未探明;大部分应用领域缺乏复合材料设计-制造-评价-考核验证能力;人才规模有限、分布不均。基于此,提出了加强高端碳纤维及其复合材料系列化和自主创新等建议。     

BCF的热氧稳定化研究

采用连续实验方法,借助X射线衍射、红外光谱、元素分析、力学测试等技术,系统地研究了热氧稳定化过程中聚丙烯腈纤维序态结构、化学结构与生物碳纤维吸附特性、力学性能的内在关联与作用.研究结果表明:聚丙烯腈基热氧稳定化纤维晶区尺寸、取向指数等结构参数与BCF比表面积、吸附特性及力学性能的优劣具有直接内在联系.在热氧稳定化过程中增加聚丙烯腈纤维热氧稳定化结构转化有益于改善生物碳纤维吸附特性,且与生物碳纤维力学性能的变化密切相关.     

石墨烯纤维研究进展

 石墨烯具有独特的电学和力学等性能。宏观的石墨烯纤维由纳米级的石墨烯组装而成,其集成了微观石墨烯的突出性能,因而不仅具有常规纤维的柔韧性可用于纺织物,同时具有轻质、可成型加工及易于功能化等显著优势。概述了石墨烯纤维研究方面的最新进展,包括其可控制备技术、功能化及其在柔性纤维器件如驱动器、机器人、光伏电池、电容器等方面的应用。     

不同纤度PAN纤维预氧化过程研究

采用红外吸收光谱（FT-IR）分析、差示扫描量热（DSC）分析、X射线衍射（XRD）分析等表征手段及纤维密度、皮芯结构测试方法,考察了不同纤度PAN纤维在预氧化过程中的反应、晶体结构和皮芯结构的变化。结果表明：在预氧化后期,相同的预氧化温度下,纤度较小的PAN纤维发生了更多的氧化反应,具有较高的相对环化率和略高的密度;纤度较小的预氧化纤维具有较小的芯,相对容易获得均质结构。