碳纤维行业报告（96页）

行业报告下载 2022年12月19日 08:50 管理员

预氧化处理是碳纤维制备流程中耗时最长的一道工序，氧化炉温度范围为392°F至572°F（200°C至300°C）。该过程将空气中的氧气分子与PAN纤维结合在一起，并使聚合物链开始交联，这会使纤维密度从〜1.18g/cc增加到高达1.38g/cc。为了避免PAN纤维放热失控（氧化过程中释放的总放热能量估计为2,000kJ/kg，会造成火灾隐患），预氧化炉制造商使用多种气流设计来帮助散热和控制温度。氧化时间会根据前驱体纤维的化学反应而变化，通常而言需要60到120分钟的时间，每条生产线需要4到6个烘箱，烘箱堆叠起来可以提供两个加热区。氧化后的PAN纤维包含约50％至65％的碳分子，其余部分为氢、氮和氧的混合物。碳化反应在专门设计炭化炉内进行，并且需要惰性（无氧）气氛保护。在没有氧气的情况下，只有非碳分子包括氰化氢和其他VOC（稳定期间以40至80 ppm的浓度生成）和微粒被除去，并从高温炉内排出，随后在环境控制的焚化炉中进行后处理。在碳化过程中必须施加一定牵伸张力，从而可以优化碳分子的结晶，以生产出含碳量超过90％的碳纤维。碳纤维与高模碳纤维（又称“石墨纤维”）区别在于，前者是在约 1315°C/2400°F下碳化的纤维，其碳含量为93％至95％，而后者在1900-2480°C（3450-4500°F）时被石墨化，碳元素含量超过99％。高模量和超高模量碳纤维成本相对较高的部分原因是停留时间的长短和高温炉中必须达到的温度。

预氧化处理时间以小时为单位，但碳化时间要短一个数量级，以分钟为单位。纤维经过碳化后，重量会显著下降，并使直径缩小。基体树脂和碳纤维之间的粘合性对于增强复合材料至关重要，而在制造碳纤维的过程中，表面处理目的是增强这种粘合性。生产商会采用不同的处理方法，处理后纤维表面活性增加，从而提高可用于界面纤维/基体粘结的表面积，并添加反应性化学基团如羧基等。随后的工序是上浆处理，一般上浆剂占碳纤维重量的0.5％至5％，可在处理和加工（例如编织）过程中保护碳纤维成为中间产品。上浆还可以将细丝束缚在各个丝束中，以减少起毛，提高可加工性并增加纤维与基体树脂之间的界面剪切强度。上浆干燥结束后，漫长的碳纤维制备过程就完成了，单个的丝束分离出来然后缠绕到筒管上。小丝束碳纤维的抗拉强度较为稳定，离散型较小，变异系数控制在5%以下，这是因为胶液的渗透更到位。而大丝束碳纤维的变异系数在15- 18%左右，离散型更好，但综合性能稳定程度较低。这是因为丝束越大，聚集越容易，但同时展纱效果也就越差，浸润胶液的效果也就越差，加上单丝中容易发生空隙等问题，导致大丝束碳纤维的性能目前不如小丝束。因此小丝束目前在对性能及稳定性要求较高的领域，如航空航天中应用较广，而大丝束则主要应用于对成本较为敏感的一般工业领域。

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