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自由基聚合反應而得到外觀為白色粉末狀的聚丙烯腈[見式(2-1)], 然后經過熔融紡絲, 預氧化炭化后而得到的炭纖維長絲。 

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用, 而制備工藝同樣對制品的最終性能產生重要的影響。全過程連續(xù)進行, 任何一個工序出現問題都會影響穩(wěn)定生產和炭纖維產品的質量(見圖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行工藝條件的合理優(yōu)化。圖2-3是PAN基炭纖維的生產工藝流程圖。

圖2-2 聚丙烯腈炭纖維的制造工藝流程

圖2-3 PAN基炭纖維生產工藝流程圖

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

聚丙烯腈原絲在預氧化過程中為了使纖維內部分子保持原狀必須加張力, 張力的施加是生產高強度炭纖維的必要措施。預氧化過程是在有氧的環(huán)境中進行的。預氧化設備是這個過程的關鍵, 目前有內循環(huán)式、 外循環(huán)式、 固-固傳熱式、 氣-固-固傳熱式和混合式等。

預氧絲的炭化過程(圖2-6)是在惰性氣體保護下進行的, 期間在非碳元素排出的同時, 其結構也在發(fā)生變化。在炭化過程中張力設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部晶體結果的演變過程。

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合得更加緊密, 炭纖維的模量也不斷提高, 而強度的變化卻隨著溫度的升高先增加(1600~1700 ℃最高)而后降低[2], 見圖2-5。

圖2-5 炭纖維力學性能與溫度的關系