国产高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术研究进展 | 美體產業公開資訊

2018年11月1日—目前，由中间相沥青制备的碳纤维模量最高可达900GPa且具有很好的导热性能。而聚丙烯腈（PAN）基碳纤维具有优异的强度，市场上PAN基碳纤维的最高拉伸强度 ...

碳纤维是一种由石墨组成的聚合物材料，是迄今可以获得的最轻的无机材料之一。由sp2杂化碳原子之间的强共价键使碳纤维具有很好的强度和模量。在碳纤维中，碳原子六元环组成大π共轭结构，并相互连接并贯穿整个纤维中，赋予碳纤维优异的力学性能。目前，由中间相沥青制备的碳纤维模量最高可达900 GPa且具有很好的导热性能。而聚丙烯腈（PAN）基碳纤维具有优异的强度，市场上PAN基碳纤维的最高拉伸强度（以下简称强度）高达6.9 GPa。常见的PAN 基和沥青基碳纤维的拉伸强度对拉伸模量（以下简称模量）关系如图1所示。PAN基碳纤维可以分为高模型和标准/中模型碳纤维。而沥青基碳纤维可以分为普通沥青基碳纤维和中间相沥青基碳纤维（高模型）。碳纤维的比强度比普通钢材高出1个数量级，因此通常作为轻质结构复合材料广泛应用于工业制造、能源交通、体育休闲乃至航空航天领域。

理论上所有含碳高分子材料均可以作为碳纤维前驱体。理想碳纤维前驱体应具有以下特点，即容易转化为碳纤维、有较高的碳产率、易进行工业化生产。近年来，通过纳米碳纤维制备碳纤维也有很多报道。在所有碳源材料中，以纤维素、沥青和PAN为前驱体的碳纤维已成功实现工业化生产，其中PAN 基碳纤维用于超高强度和高温领域，占世界总碳纤维产量的约90%。沥青基碳纤维主要满足高模量和高导热领域，而纤维素基碳纤维产业规模很小。近年来，木质素、聚乙烯等作为碳纤维前驱体的研究也有报道，但仅限于科学实验或实验室规模的研究，尚未实现工业化。

PAN理论碳含量为67.9%，其分子链中连续碳元素组成主链骨架和侧基氰基容易发生成环反应，形成梯形聚合物。此外，PAN纤维可以大规模工业化生产，是理想的碳纤维前驱体。事实证明，PAN 基碳纤维在高强和高强高模碳纤维品种方面均具有优良的表现。

在PAN基碳纤维制造过程中，其生产工艺流程长，工艺路线复杂，工艺流程大致如图2所示，不同的生产企业可能会根据自身生产工艺特点进行调整。在PAN基碳纤维制备过程中，生产过程中的每一个步骤带来的缺陷均将遗传到下一步并直至到最终的碳纤维中，并影响碳纤维的性能。因此，需要对整个工艺流程进行综合考虑，结合生产装备的具体情况，确定合适的工艺参数。

图2 PAN基碳纤维的制备流...