国产原丝生产通用高强碳纤维是否可行？

作者：    来源：材料科学与工艺

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 用工业腈纶丝生产优质碳纤维的理论依据与措施 1962 年日本东丽公司用工业腈纶丝生产PAN 基CF 因强度太差未获成功。 1969 年该公司由于研制成功的PAN 共聚小丝束原丝，因而制造出当时世界上强度最高的PAN – CF。从此，只有优质的原丝才能生产出优质的CF 成为国际上CF 产业界的共识。众所周知，通用高强型CF 的最高炭化温度较低(1200 ℃- 1700 ℃) ，经过此种处理的CF 其晶粒较细，炭六角层面间杂质原子残留较多，致使纤维内炭原子sp3 杂化链，三维交联丰富。故此种CF 属于脆性材料，断裂往往由纤维表面的各种缺陷引发，因此表面缺陷是影响通用高强型CF 强度的一项重要因素。表2 为CF 的性能。 表3 为CF 缺陷产生原因与消除办法。从表3中可以看出原丝纺丝过程和予氧化炭化过程中因工艺环境不良、工艺措施不当均可造成各类表面缺陷。在予氧化、炭化过程中造成的各类表面缺陷可以通过改善工艺环境和改进工艺条件来消除。 尤其应说明的是在高温炭化阶段和表面处理阶段(也就是CF 制造的最后阶段) 采用各种烃烷类炭氢化物、CCl4 及各类氧化剂对CF 表面进行腐刻和化学补强沉积处理，这种方法不只对予氧化、炭化过程中形成的表面缺陷而且对原丝继承来的表面缺陷均有修补作用。 可见只要在予氧化炭化阶段采取的消除或减少表面缺陷的措施充分有效，即使是质量较差的工业睛纶也能生产出质量较好通用高强型CF。 当然，也应指出，影响高强型CF 强度的因素毕竟不只表面缺陷一种，比如原丝组分、共聚物分子量、纤维的折优取向，内部缺陷等原丝方面的不良因素也是不容忽视的，而且这些影响并不都能在予氧化、炭化和表面处理过程中得到有效的校正。 因此，目前用工业睛纶丝能够生产的仅是在高强CF 系列中性能较低的通用高强型CF (强度为315GPa 左右，模量为220GPa 左右) 而在生产诸如T1000超高强CF(强度6137GPa ，模量294GPa)的时候则仍必须采用最先进的予氧化炭化技术和最好的原丝才行。 用国产原丝生产优质通用高强碳纤维技术线路探讨 全世界不同规格的PAN - CF 不下几十种，但是85 %以上的产量为通用高强CF。 应用工业睛纶丝成功的生产出大丝束优质通用高强CF 可以说是20 年来CF 研究生产领域中重大的事件。 它使得这种CF 价格一下子从每公斤33 美元下降到17 美元，据报道最近将下降到11 美元以下。 这种CF 的年生产能力将从几年前的1 万多吨(小丝束产品) 骤然上升到2 万吨以上(小丝束及大丝束产品) 。价格的下降与产量的上升有力的推动了通用高强CF 应用范围迅速向汽车、建筑等普通工业部门扩展，从而使这种产品形成了在质量- 产量- 价格- 应用几方面相互促进的良性发展局面。 我国CF 行业从Akzo 公司、Zoltek 公司的成功当中可以得到的最直接启迪是我们是否也可以采取与它们相似的技术路线，通过改进予氧化炭化和表面处理工艺有效的消除CF 的表面缺陷，从而应用现有国产原丝生产出优质的通用高强CF这是因为:我国的PAN 原丝的质量不如日本东丽公司和美国赫格里斯公司的产品，比英国Courtaulds公司的原丝也略显不如。 但是在原丝组分共聚分子量，无机杂质的含量以及金属元素含量的控制等方面比工业晴纶丝终究要好很多，因此我们在原丝上所碰到的困难要比用工业晴纶丝生产CF为小。多年来我国吉炭等CF 生产厂家在予氧化炭化等CF 生产技术方面已进行了大量改进工作，在炭化最高温度的确定，予氧化温度的选择，予氧丝牵伸的控制，炭化裂解物的排放等方面都取得了很好的效果。 这些都为进一步改进完善CF 生产技术打下了基础。 但是为消除或减少CF 表面缺陷所采取的技术措施则尚不完备，这表明我国CF 制造行业在通过改进CF 生产技术提高CF 拉伸强度方面还存在很大的潜力，上面两点都表明本文所推荐的这一技术路线符合我国CF 造制业的实际情况，具有可行性。 为了实现这一技术路线必须采取以下措施： 1) 构建封闭式的生产环境，实现无尘予氧化和无尘炭化。 至少要对予氧化的热风进行严格的过滤净化。 予氧丝、炭丝的传动机构也要尽量光洁干净。 2) 予氧化的低温区和高温区以及炭化的低温区及高温区对纤维的牵伸率要实行分别独立控制。 3) 在予氧化过程中对予氧丝实行开纤处理。 4) 当前国内对CF 进行化学补强多采用CCl4或烃烷类炭氢化合物，CF 拉伸强度的提高幅度约为20 - 30 %。 可采用更有效的化学补强剂比如各种芳香族杂环炭化物，这样可将CF 的拉伸强度提高到70 %以上。 5) 有效的表面处理技术。 可以预测，只要上述5 项技术能够得到充分的实施，那么将国内原丝生产的通用高强CF 的拉伸强度2123GPa 提高到315 - 410Gpa 则将不会是很困难。(end)

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