碳纤维行业报告：PAN基碳纤维（151页）

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。