碳纤维的生产制备

carbonfiber—碳纤维材料结构与功能之间的关系1碳纤维构件利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。碳纤维瓦碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。

碳纤维桥2007年5月10日，荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥。该桥长24.5米，宽5米。碳纤维结构材料用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等碳纤维是一类由人造纤维或合成纤维为母体，经过高温（1000℃以上）处理后制得的含碳量达到90%以上的无机纤维材料。碳纤维生产原料有三种:黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维。以PAN纤维作为原料制得碳纤维，因其产品力学性能良好、生产工艺简单以及碳化收率高，得到大力发展，成为当前碳纤维工业的主流。3原料含碳量%碳化收率（cf/原料）碳化收率（cf碳含量/原料碳含量）聚丙烯腈纤维6840~6060~85粘胶纤维4521~4045~85沥青纤维9580~9085~95ACBD4导热性高X射线透射率耐磨性耐腐蚀性抗疲劳强度比重弹性模量抗拉强度碳纤维材料与其他加固材料对比PAN基碳纤维的制备流程2/3/2023退丝去捻上油预氧化低温碳化高温碳化表面处理水洗干燥上浆干燥收卷成品包装废气处理预氧化过程照片展示PAN原丝的线型分子链转化为具有耐热梯型结构的预氧丝，能够在惰性气体（N2)保护下的高温碳化环境中不融不燃，保持纤维状态进而转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。7原丝预氧化分为6个温区，温度呈梯度分布，逐步提高。6个区的预氧丝照片对比一区（180-220℃）二区（210-235℃）三区（230-250℃）四区（240-255℃）五区（250-265℃）六区（250-275℃）预氧化过程反应机理010203共聚单体引发环化氧化反应0102039放热脱氢反应低温碳化炉高温碳化炉碳化是一复杂的物理、化学变化和结构的转化过程，是在惰性气体（N2）保护下发生热分解、热缩聚过程，其结果是将预氧丝的梯型结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。碳化全过程可以分为低温碳化和高温碳化两个阶段，前者的温度一般为300~1000℃，后者为1100~1600℃。

碳化过程中发生的主要反应

NH3的释放在预氧化过程中，亚氨基是环化过程中传质的结构单元，一旦NH3释放就意味着失活而芳构化反应的终止。

水的脱除700℃之前，释放的相当量的水主要是含氧基团发生分子间缩聚反应所致。CO和CO2的释放碳化过程释放CO和CO2是发生以下反应①热解反应有关，即未被结合到梯型结构中的含氧基团被热解。②来源于-CN基团的水解HCN的释放在1000℃之前，HCN释放有两个高峰，一个是在300~500℃之间，另一个在700~1000℃之间。前者可能是未进入梯型结构的氰基进行热解的释放。后者可能是因小的芳构化片之间缩聚的副产物。N2的释放在PAN原丝中，含氮量约为20%左右，转化为预氧丝后含氮量仍保持在20%左右。在碳化过程中，1000℃之前N以NH3和HCN脱除，使得含氮量大幅降低，在900~1300℃是脱氮高峰区，是固相缩聚的副产物。碳纤维表面处理的目的碳纤维表面处理的途径13①清除表面杂质；②在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，增加表面能；③引进具有极性或反应性官能团并能与树脂起作用的中间层如—COOH，—NH2，—OH等。提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。电化学氧化法以碳纤维为阳极，石墨板为阴极，在电解质溶液中于一定电流密度下，靠电解作用产生的初生态氧对碳纤维进行氧化刻蚀，并形成含氧官能团。上浆处理的目的①保护纤维表面的活性基团；②可以使碳纤维具有良好的集束性，从而使纤维以后的缠绕织造工艺操作简单，并且纤维束损