2025年PAN碳纤维讲解.doc

聚丙烯腈（PAN）碳纤维

黄洛玮

摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力學性能优秀的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导電、导热、膨胀系数小、減震等优秀性能，是航空航天、国防軍事工业不可缺乏的工程材料，同步在体育用品、交通运送、醫疗器械和土木建筑等民用领域也有著广泛应用。本文简要简介了其构造，制备措施，性能，应用领域及其前景。

关键詞：PAN基碳纤维碳纤维构造PAN基碳纤维制备PAN基碳纤维性能PAN基碳纤维应用前景

1.概述

碳纤维是一种力學性能优秀的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等為原料，經预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量不小于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导電、导热、膨胀系数小、減震等优秀性能，是航空航天、国防軍事工业不可缺乏的工程材料，同步在体育用品、交通运送、醫疗器械和土木建筑等民用领域也有著广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简朴、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成為最重要的品种。

2.PAN碳纤维构造

碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物經固相反应转化為三维碳化合物，碳化历程不一样，形成的产物构造也不一样。

碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差异，這重要是由于其构造不一样，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所构成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的构造与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维過程中碳化和石墨化過程有关。

PAN选用的原因：

1、PAN构造式:

這是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体

2、选用PAN原因：

a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；

b、碳化收率（1000℃~1500℃）為50%~55%;

c、在脱除碳以外的杂原子時其骨架构造很少破壞;

d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝後的改性处理和經受高温碳化处理。

PAN碳纤维原丝微观图：

【1】PAN碳纤维原丝截面图【2】PAN纤维截面SEM照【3】PAN碳纤维表面构造

3.聚丙烯腈碳纤维的制备

1975年，Fitzer等人進行了一系列的试验，用稳定与差分热分析（DTA）和空气/氮气环境的控制。他們的研究成果表明，脱氢反应可以之前或之後发生环化反应。

不過，虽然在刚刚提到的研究成果，脱氢是在一种相對缓慢的過程稳定，并且它倾向于发生在已环化链条。通過研究比较DSC和FTIR的成果，刘等人发現，发生脱氢靠近同步与氧化[55]。在一项研究中发現的活化能和各個反应的频率因子，纤维被稳定化，在惰性大气，其中独立地将发生环化反应相對短暂而剧烈的方式。這些环化纤维恢复稳定，在空气它被发現的氧化和脱氢规定明显低活化能并且将发生在一段更广泛的長度相對于反应环化。這些成果表明（至少為?9.5-11微米直径的均聚物聚丙烯腈原丝用）的脱氢是限制原因，當试图充足稳定纤维的构造。

环化作用是稳定期间的最重要的反应。它发生時，腈键（C≡N）反应形成双键，和稠合的吡啶形成环链构造。這种构造是遠遠超過前者腈键更热稳定的。不一样于脱氢环化反应不需要氧的存在下发生，因此它可以发生在惰性气氛中。此特性被广泛地用于分离环化從热分析的其他稳定的反应。此外，這是的成果环化反应是一种能量依赖的反应，而不是质量依赖性;因此，反应是在受控温度和時间参数，以保证能量（热）扩散到聚合物中。的PAN系前体的分子构造，由于它經历了上述反应可以在下面進行总結。

环化就是稳定的纤维從白色变色发黄的原因褐色至黑色[57-59]。一种旧的和迅速的测试，看看与否纤维已經彻底稳定是把他們下一种火焰。假如他們发光，不烧，那是指示该纤维已通過环化了。环化反应的启動已被链接到几种来源。它可以在启動杂质在聚合物中，例如催化剂的片段，残留的聚合产物，或克制剂。

它也可以在链端基，随机启動氢原子的腈，或者将腈转化到axomethine弗裏德兰德认為环化反应被启動由酮，腈的存在下通過聚合中水解，并皮布尔斯等人提出的，這也許是由于腈的聚合反应過程中水解成酸而导致的。环化反应是放热反应，它有损伤纤维。该纤维可收缩過度，失去了明显质量，并甚至熔化和熔合在一起。相反，假如稳定化過程太保守和纤维仅部分稳定化，稳定化部将挥发碳化和石墨化過程中，明显減弱了最终产品。

聚丙烯腈（PAN）在1961年通過Shindoin初次被认定作為碳纤维合适的先驱体。他目前是碳纤维最总要的開始材料。丙烯腈的聚合反应是至关重要的，尤其是由于在CF制作此外的环节如纺丝，稳定化，碳化和前驱体体的纤维，以及由此产生的CF特性强烈地依赖于所用的前体聚合物的特性。丙烯腈（AN）可