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通过聚丙烯腈纤维和沥青纤维制取碳纤维

   日期:2020-07-20     来源:《纤维复合材料》    浏览:462    
核心提示:碳纤维的制备由于碳元素在高温下不会熔融,也不会溶解于溶剂,因此不可能按一般合成纤维那样通过熔融纺丝或使用溶剂进行湿法或干
碳纤维的制备

由于碳元素在高温下不会熔融,也不会溶解于溶剂,因此不可能按一般合成纤维那样通过熔融纺丝或使用溶剂进行湿法或干法纺丝来制备。碳纤维只能通过有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解生长来制取。气相法是由烃或芳烃等小分子有机物在惰性气流下高温热解,再沉积而成纤维状物质。其制造条件苛刻,又得不到长纤维,只能是晶须或短纤维。所以,目前都是由有机纤维固相碳化来制取碳纤维。人们对众多有机纤维的碳化进行了研究,发现具有工业意义的原丝主要有聚丙烯腈纤维、沥青纤维、纤维素纤维3三大类。

( 1 )从聚丙烯腈纤维制取碳纤维

PAN纤维在氧存在下进行热处理( - -般称为预氧化过程)时,主要发生了环化、脱氢和氧化反应。预氧化的作用主要是使纤维具有耐热性,并形成刚性较大的平面环,为进一步碳化形成碳纤维的平面结构打下基础,如图2-1所示。预氧化丝在惰性气氛中进行高温处理(一般称为碳化过程),放出H2O、NH3、HCN、CH4等多种裂解气体,分子发生交联、芳构化,碳网平面逐渐形成,并随碳化温度的增加进一步增大 ,最终得到碳纤维。PAN的碳化过程如图2-2所示。


( 2 )从沥青纤维制取碳纤维

沥青基碳纤维主要有各向同性沥青基碳纤维(力学性能较低)和各向异性沥青基碳纤维。沥青是含有多种芳烃的混合物,含碳量-般为91% ~ 96.5%。沥青原料的选择对制备碳纤维的工艺和产品质量有着重大的影响,因此要对原料进行系列的处理 :热加工处理除去其中低沸点馏分;溶剂抽提除去杂质及碳化性能差的成分,提高纺丝性;加氢处理提高碳化得率;树脂化提高熔融性、可纺性。经熔融纺丝制得的沥青纤维要经不熔化处理(可采用气相氧化或液相氧化,主要是脱水、烃基、羧基和甲烷)。不熔化的目的是使侧链烷烃部分被氧化及形成交联结构,使反应差的芳烃中引入热反应性高的含氧官能团,利用这一反应使沥青纤维能在熔点以下的温度进行缩合反应。

 
 
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