碳纤维行业报告：PAN基碳纤维（151页）

行业报告下载 2022年09月14日 07:30 管理员

PAN 基碳纤维是以丙烯腈为前驱体，经聚合、纺丝、氧化稳定、碳化和石墨化等一系列复杂工艺制得，每个过程均涉及流体力学、传热、传质、结构和聚集态等多个单元过程同时进行，又相互联系的过程，影响因素较为复杂。PAN基碳纤维生产过程比较繁琐并涉及诸多复杂的化学反应过程，要经历聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表面处理等多个步骤，其中，每个步骤又包含多个工艺，每个工艺参数都会对最终碳纤维的结构与性能产生一定的影响。生产过程则涉及了高分子化学、高分子物理、物理化学、无机化学、高分子加工、自动化控制等不同的学科、技术交叉和融合，是一个复杂的系统工程，最终所得到的 PAN 基碳纤维结构和性能强烈依赖于每一个过程中的工艺控制和结构调控。聚合是指丙烯腈（AN）单体通过自由基链式聚合反应得到长链 PAN 的过程。聚合过程按照工艺流程先后顺序大致分为原料准备、聚合反应等。原料准备过程，制备 PAN 共聚物的原料包括单体、共聚单体、引发剂、链转移剂和溶剂等。单体方面，丙烯腈（AN）是制备 PAN 共聚物的主要单体。由丙烯腈制得聚丙烯腈纤维即腈纶，其性能极似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈与丁二烯共聚可制得丁腈橡胶，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性，和电绝缘性能，并且在大多数化学溶剂，阳光和热作用下，性能比较稳定。

共聚单体方面，由于 PAN 均聚物在预氧化初始阶段温度较高，且会集中放热，从而导致预氧化过程工艺难于控制。此外，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。在实际生产中，通常将丙烯腈与共聚单体进行共聚，以有效控制预氧化过程中放热反应，共聚单体的总含量一般在 5%左右。对于制备 PAN 基碳纤维而言，所采用的共聚单体大多为丙烯酸甲酯（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸（MAA）和衣康酸（IA）。引发剂及链转移剂方面，国内外碳纤维生产厂商多采用偶氮类型的引发剂，其中偶氮二异丁腈（AIBN）为常用的引发剂，其主要作用是提供自由基与 AN 分子作用生成单体自由基进而完成链增长。根据《聚丙烯腈基碳纤维》一书数据显示，使用 AIBN 引发剂时，聚合温度一般控制在 55-65℃内，引发剂用量相对单体的质量浓度不超过 0.5%，最好在 0.3%以下。链转移剂又称分子量调节剂，是一种能够调节和控制聚合物分子量、分子量分布和减少链支化度的物质。在 AN 聚合时，采用醇类或者硫醇类作为链转移剂，且加入量相对单体 AN 的质量浓度控制在 0.1%-0.2%之间时，可显著调控聚合物 PAN 的分子量、支化度及提高可纺性。