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碳纤维行业报告:碳纤维成型工艺及瓶颈(38页)

行业报告下载 2020-05-29 1 管理员

碳纤维产业的研发初期,主要产品为普通腈纶碳纤维,但是这种制作工艺难以获得高 力学性的碳纤维产品,只有使用专门经过优化的PAN纤维,才能提高碳纤维的性能。 这种为了获得高性能碳纤维而专门优化后的PAN纤维,就被称为原丝。PAN原丝是制造 碳纤维的原材料,原丝的性能可以在很大程度上决定碳纤维的性能,也就是说,如果 想要获得性能优良的碳纤维,必须首先有性能优良的PAN原丝。PAN原丝的性能,从本 质上来说主要取决于其中的PAN分子的结构和排列形式。其中PAN分子结构的控制主 要集中在聚合工艺,而PAN分子的排列形式则主要在纺丝工艺中形成。

得到的PAN纤维中PAN分子链规整度较好、结晶度较高,但 纤维缺乏柔性,不利于后续工序进行。另外,PAN均聚物的预氧化初始温度较高,由 于在预氧化初始阶段会产生放热反应,集中放热会导致原丝中PAN分子链的断裂,并 形成大孔缺陷结构,影响生产工艺稳定性和碳纤维质量,是制作的难点之一。因此在 实际生产过程中,通常将丙烯腈与一些共聚单体进行共聚,可有效地控制预氧化过程 中的放热反应,在后续步骤中获得质量更高的碳纤维。衣康酸(IA)、丙烯酸甲酯(AA)、 甲基丙烯酸甲酯(MAA)等是常用的共聚单体,这些共聚单体可调节纺丝溶液的可纺 性。并改善凝固浴中的相分离过程。获得结构较为致密的PAN原丝。此外,在预氧化 时可引发分子内环化作用,使环化反应由自由基型转化为离子型,并增加原丝的氧渗 透性,有利于预氧化过程工艺控制。

丙烯酸酯中性共聚单体具有增塑作用,提高PAN的溶解性并改善溶液的流变性能,使 其具备可纺性,同时改善预氧化过程中氧气向原丝中的渗透。而衣康酸等含羧酸基团 共聚单体的存在可以改善PAN原丝凝固过程中凝固介质向纤维内部的渗透性,改善PAN 原丝凝固过程,提高凝固均匀性。此外,羧酸基团影响PAN原丝的预氧化难易程度、 放热性能和碳产率。需要指出的是,共聚单体的存在也会影响PAN基碳纤维制备过程 中的成环过程,从而影响碳纤维的结构和性能。因此,用于制备碳纤维的PAN树脂中 共聚单体含量通常<5%。除了含量之外,共聚单体在PAN分子链上的序列分布对原丝结 构均匀性、预氧化工艺稳定性乃至最终碳纤维的性能均会产生重要影响。因此,需要 根据共聚单体特点,结合工艺过程控制以及聚合物设备的调整,实现共聚单体在 PAN  分子链上尽可能均匀分布,为制备高性能碳纤维奠定至关重要的物质基础。

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标签: 新材料|有色金属|矿产|贵金属|钢铁|煤

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