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聚丙烯腈基碳纤维系统介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺、组织结构和性能，包括聚丙烯腈基碳纤维的发展及制备工艺、丙烯腈共聚合工艺、丙烯腈共聚物结构分析、聚丙烯腈初生纤维凝固成形、聚丙烯腈纤维的加工处理、聚丙烯腈纤维的结构与性能、聚丙烯腈纤维的预氧化、预氧化纤维的结构与性能、预氧化纤维的碳化、碳纤维的结构与性能、石墨纤维的结构与性能以及聚丙烯腈基碳纤维的应用。聚丙烯腈基碳纤维PAN 纺丝原液的合成遵从自由基聚合机理，一般采用溶液聚合和悬浮聚合两种聚合工艺，其中以溶液聚合为主。 PAN 原丝预氧化时放热集中烧断纤维，在聚合过程中加有一定的共聚组分，使均聚 PAN 原丝在预氧化时由自从而降由基型环化反应转变为离子型环化反应，低了环化反应放热速度，使反应易于控制。、、、：如可以 / 羧基酸共聚物。 2．纺丝 PAN 原丝质量的优劣是制备碳纤维的关键，只有细旦化、取向高、强度高、致密度高、杂质缺陷少且质量稳定的原丝，才能产出高品质的碳纤维。 为了提高原丝的取向度、减小表面缺陷和致密度高等性能，目前最先进的纺丝工艺为干喷湿纺，与一般常用的纺丝工艺如湿法，干法，熔融法等相比，干法喷丝头不直接浸入凝固浴，喷头的温度可独立得到精确控制，纺丝液由喷丝板喷出后先经过一段约数毫米的空气层，然后再进入凝固浴，原丝结构的成形 原丝的结构从而得到更多一部分发生在空气层的调节，纺丝液在空气层中发生一定的拉伸 流动，不仅可以提高纺丝速度，而且易于提高大分子链的取向。经过空气层进入凝固浴后，原丝的结构比直接进入凝固浴均匀致密，不易产生大的孔洞，原丝的截面也容易成圆形，其力学性能亦可以获得提高。 由于任何产生的杂质对碳纤维强度的影响直接会降低碳纤维的强度，可以采用 0. 45 μm 级过滤器对纺丝原液进行过滤，并采用含磺酸基团的离子交换树脂除去纺丝原液中金属离子；提高原丝纯度的另一途径是采用无尘纺丝，例如，生产PAN原丝时，纺丝生产线封闭在玻璃罩其内。在纺丝时对聚丙烯腈进行牵伸的作用除了使纤维细旦化外，还会使其结晶度和取向度提高，改善其力学性能。 3．预氧化处理 预氧化又被称为热稳定化， 可以使线型其PAN 大分子发生分子内环化和分子间交联，转化为耐热梯形结构，使其在炭化高温下不熔不燃，保持纤维形态并在热力学处于稳定状态，最后转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。 其具体过程如图 2 所示 预氧化反应一般在180－300℃ 温度范围内进行，并采取分段牵伸和通入洁净的空气的条件下进行。目前常用的预氧化工艺经常容易出现的现象有预氧丝表面有物理损伤、相对环化率不高和发生熔融断丝等。为了减少所制备的预氧丝的表面物理损伤，有研究人员采用树脂涂层对PAN 原丝进行改性，常用的改性涂层有硅油、脂肪酸衍生物等，用硅油改性原丝所得 CF 的拉伸强度和杨氏模量分别为 3. 25 GPa和 224 GPa，而对应的未改性原丝所得的 CF 的拉伸强度和杨氏模量分别为2.45GPa和219 GPa。为了提高 PAN 原丝的相对环化率并减少其熔融断丝现象的发生，研究人员采用了对 PAN原丝进行预处理和改变预氧化过程中的工艺的方法。其中对 PAN 原丝进行预处理的方法主要是化学方法和物理方法，其中化学方法主要是用KMnO4、K2 Cr2O4和一些Lewis酸如Cu、Sn、Co、Cr等化合物对 PAN 原丝进行浸泡预处理，物理方法主要是用紫外线、电子束、X射线对原丝进行预辐照，它们均可以降低环化减少预氧化所需时间，同时还可以反应激活能，使预氧化反应进行得比较缓和而均匀，减少纤维“皮芯”结构的形成。 4. 炭化处理 炭化是碳纤维制备的又一个主要阶段。 3 所示。 由图可以看出炭化反应过程中碳网的形成扩大过程。 预氧化纤维在惰性气体保护下先经低温碳化炉，N、H、O等非碳元素在炉内发生反应释放出来。在炭化过程中，加热温度和时间的控制、张力牵伸和送排风系统对其影响也是最大的。碳化一般由低温碳化和高温碳化两个部分实现，低温区域温度一般在300－600 ℃，高温区温度一般在600－1，600℃ 。Ko 等在450-700℃ 温度处理究两步碳化过程中低温碳化 对碳纤维性能的影响时发现低温碳化温度在450-550℃ 时会得到拉伸强度较好的碳纤维，而当低温碳化温度在650－700℃ 时会得到模量最好的碳纤维；在预氧化过程中施加牵伸对碳纤维质量有明显的改善。 二．组织结构和性能cal/mol的反应热。 丙烯腈腈基（C—C=N）中原子中电负性大于碳原子，使腈基中的碳原子与氯原子之间的电子云偏向氯原子一侧，程电负性，则碳原子碳原子呈现正电性，同时由于诱导引发作用，使与腈基相连主链上的碳原子与腈基碳原子之间的偏向腈基的碳原子，形成极性很强的偶极。 同一条聚丙烯腈大分子链上，由于腈基的极性相同，彼此相斥，使得大