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年05月29日 07:21 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。