碳纤维的发展现状.doc

碳纤维的发展现状 碳纤维(carbon fiber)，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维碳是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上其中含碳量高于99的称石墨纤维。 图1 碳纤维 碳纤维最早由美国联合碳化物公司和美国空军材料实验室于1959年投产，原丝采用粘胶纤维。1962年，日本碳公司进行了通用级聚丙烯腈基碳纤维的生产。1971年，日本东丽公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维投产。沥青基碳纤维是日本吴羽化学工业公司于1973年投产的。联合碳化物公司生产了高模量沥青基碳纤维,1985年，美国、日本及西欧的聚丙烯腈基碳纤维年生产能力共约有7.25kt，沥青基碳纤维为1.28kt。 碳纤维一般以力学性能和制造原材料来进行分类。 按力学性能一般可分为两类：a)通用型(GP)碳纤维；b)高性能型(HP)碳纤维。通用型碳纤维强度 1000MPa、模量100GPa左右，高性能型碳纤维又可分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型(模量在 300GPa以上)。强度大于4000MPa者称为超高强型;模量大于450GPa者称为超高模型。 按原材料可分为3类：a)聚丙烯腈基(PAN)碳纤维；b)沥青基碳纤维；c)粘胶基(纤维素)碳纤维。3种原料碳纤维的主要性能见表1。 表1 3种原料碳纤维的主要性能 碳纤维按照一束纤维中根数的多少分为小丝束和大丝束碳纤维。通常把1K、3K、6K、12K和24K的称为小丝束，36K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K～480K等。1K为1 000根丝。 在聚丙烯腈基(PAN)碳纤维中，日本东丽公司的碳纤维为国际公认的代表性产品，分为T系列(碳化产品)、M系列(石墨化产品)，规格有T300（拉伸强度大于3000MPa），T700(拉伸强度大于4500MPa(，T800，T1000（拉伸强度大于7000MPa）等。 碳纤维有长丝、短纤维、短切纤维等,可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料，如金属涂层。 纤维。长丝和纤维织物一般加工成预浸料。此外，还可不经碳化和石墨化生产聚丙烯腈预氧化丝和活性炭纤维。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，常加入树脂、金属、陶瓷和混凝土等，构成相应的复合材料，用于制作飞机结构材料、火箭外壳、宇宙机械、高尔夫球棒、球拍、机动船、电波屏蔽除电材料、电视机天线、离心分离机的高速转子、工业机器人、汽车板簧及驱动轴、人工韧带等身体代用材料等。 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。 碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。 一、生产工艺、方法 1、粘胶基碳纤维 粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料，应用于军工(如导弹)和航天领域，是不可或缺的战略物资。在民用市场方面，利用其柔软与导电性制作电热产品，利用其孔隙结构发达和容易调控的特性制造活性碳纤维系列制品，是良好的环保材料和医用卫生材料。粘胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1％，但有着其它两种碳纤维不可替代的地位。粘胶基碳纤维生产线每吨产品建设投资高达一千多万元。 生产粘胶基碳纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆，我国则以棉浆为主。粘胶纤维素浆粕配制成纺丝液，通过湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗、干燥和浸渍催化剂后，再经预氧化和碳化工序就可转化为碳纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制造粘胶基碳纤维的重要工序，是由有机粘胶丝转化为无机碳纤维的关键所在，其主要的工艺流程如图2所示。 图2 粘胶基碳纤维生产工艺流程 2、PAN基碳纤维 PAN基碳纤维占据了碳纤维市场份额的80％以上，大多数PAN基碳纤维生产企业的生产线都是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发，比如日本东丽(Toray)、东邦(Toho)、三菱人造丝(Mitsubishi Rayon)公司和美国阿莫科(Amoco)公司，中国台湾地区的台塑(Formosa Plastics)集团也是从原丝的聚合、纺丝开始。 PAN基碳纤维制造的第一步是用丙烯腈(AN)单体制造PAN原丝，在原丝制备工艺中，需要考虑影响原丝质量的因素，比如聚合物的相对分子质量、聚合组分、纺丝拉伸方法等等。对于相对分子质量的控制，工业上一般会加入相对分子质量调节剂，控制相对分子质量的大小在5*106 左右。