PAN碳纤维产业化过程中的几项关键技术的研究

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　　具有自主知识产权的PAN碳纤维及相关高性能树脂基复合材料是发展先进航空航天、战略国防装备以及高技术民用装备与产品的重要物质基础。在PAN碳纤维的产业化过程中，有必要对聚合原料的纯化、上浆剂及表面处理等3项关键技术进行深入细致的研究，以利于提高PAN碳纤维的性能。
1. 聚合原料的纯化
　　聚合原料中存在的大量的无机和有机杂质对聚合反应本身乃至碳纤维的性能有着极大的影响：(1) 无机杂质：所有金属离子对提高碳纤维的性能都是有害的：一方面碱金属是碳的氧化催化剂，而且在PAN原丝的高温处理过程中会逐渐逸出，留下孔隙缺陷；另一方面过渡金属在高温下可与碳形成共熔体或金属碳化物，破坏了碳纤维结晶的连续性。而且铁离子是聚合体系的高效阻聚剂。(2)有机杂质：它们的存在将会在聚合过程中破坏树脂结构的规整性；在高温炭化过程中分解放出大量气体，使纤维产生孔隙缺陷，同时生成焦油状物质粘附在纤维的表面，对炭化的质、能传递过程不利。因此为了保证原丝的质量，必须在聚合前纯化两种主要的聚合原料：丙烯腈和二甲基亚砜，通过离子交换的方法大大降低其中的金属离子的含量，使之符合聚合的要求。
2. 上浆剂的研制
　　在碳纤维材料的应用中，由聚丙烯睛原丝经过氧化、石墨化以及后续表面电化学处理工序之后，碳纤维表面的表面上浆成为编织构件并进一步浸渍复合材料树脂之前的不缺少的关键工序，上浆层树脂在增进碳纤维与复合材料基体相互结合力，提高碳纤维复合材料综合力学性能中具有关键性的作用，因此上浆剂与配套上浆工艺技术为研制碳纤维材料需要解决的一项重要关键技术。国际上研制与应用水基溶液性碳纤维上浆剂已经成为发展的一个技术方向，可以采用与碳纤维复合材料基体树脂相容性良好的高分子树脂，研制乳液粒径数百纳米并具有良好储存与稀释稳定性的水溶性上浆剂乳液。
3. 电化学氧化方法处理碳纤维表面
　　由于PAN碳纤维表面的惰性，在进行材料加工，如制作碳纤维基体层压复合材料时，为提高碳纤维编织物之间的结合强度，必须对碳纤维表面进行改性处理。
　　碳纤维表面的处理方方法众多，最常用也是较成熟的是对碳纤维进行电化学氧化处理。可以使用碳酸氢氨水溶液，所要处理的碳纤维作为阳极，不锈钢板或镍板为阴极，在恒电流下进行氧化处理。用XPS，AFM分析碳纤维表面含氧官能团和表面微观形貌的变化过程表明，电化学氧化处理是表面碳及其含氧官能团逐步被氧化成羧基和CO2的过程, 同时，氧化后，纤维表面的氧和氮含量大幅提高，甚至还有酰胺基被引到纤维表面。氧化处理首先是使碳纤维表面变得更光滑，持续氧化后才会出现沟槽。
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随风逝去

说起来容易，做起来难。原材料的纯化是何等的困难。想在国内买到99.95%的光谱纯的丙烯腈几乎是不大可能。而且也进口的价格太高，我们也承受不起。要知道99.5%的价格要比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单分散的聚丙烯腈也是相当困难。而且本身原料就不够纯，我们从一开始就落后了。所以要制取高档的原丝，必须整体提高中国的化工水平才行。
  据说东华大学的王华平教授已经采用离子液体法制取的分子量大且分子量分布较均匀的聚丙烯腈。

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然后是纺丝，纺丝这块国内已经做得非常好了。达到世界一流水平。
再就是预氧化，对于这一块，世界各国对其反应机理都不是了解。只是一些人做了一些假设和推断。
预氧化过程极其复杂，预氧化的温度，时间，牵引力，媒介（主要是空气，N2，氨气等）等对预氧化程度影响都很大。而且大家对达到什么样的预氧化程度为好都没有一个定论。大家都知道，在较低的温度（220度左右），适当延长预氧化时间，预氧丝的质量较好，但会大大降低其生产效率。

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碳化：预氧丝在600-1200度的高纯N2中从耐热梯形结构转变为乱层石墨结构，且伴随热解，释放许多小分子副产物。同时，非碳元素O、N、H逐步被驱逐，C逐步富集，最终生成含碳量再90%以上的碳纤维。同预氧化过程一样，温度、时间、牵伸力等对其性能影响也较大。

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石墨化：碳纤维在2000-3000度的高纯氩气氛围内从乱层石墨结构转变为结晶度较高的石墨结构。其含碳量进一步提高，可达到约99%。可显著提高碳纤维模量。
活化：碳纤维在600-1000度的N2氛围内，通过通入水蒸气使其发生活化反应，制得比表面积大的活性碳纤维。

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活化后的碳纤维的表面有很多细小的空洞，可显著提高碳纤维的比表面积。可作为吸附材料。活性碳纤维与树酯的粘结性也会比普通的碳纤维好很多，由其制得的复合材料的力学性能也会高出很多。
用140度的王水来腐蚀碳纤维也是一种制得活性碳纤维的办法。只是危险性较大。