硝酸法和亚砜法生产PAN基碳纤维的工艺技术对比分析

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的生产方法主要有硝酸法和亚砜法,两种工艺路线均为均相溶液聚合、湿法纺丝、热处理,生产工序及装置相同,但在聚合和纺丝工序存在工艺技术区别;对比分析两种工艺路线中聚合和纺丝工艺的技术特点及其对热处理工艺和碳纤维质量的影响。结果表明:硝酸法以硝酸作为均相溶剂,采用复合引发剂体系,亚砜法以二甲基亚砜作为均相溶剂,采用单一引发剂偶氮二异丁腈;硝酸法采用的溶剂和引发剂带入到碳纤维生产过程中的杂质较多,在纤维进行热处理时,金属离子的逸出造成了碳纤维的结构缺陷,降低了碳纤维的力学性能;亚砜法生产的碳纤维内部结构更加均一,纤维力学性能优于硝酸法,纤维拉伸强度比亚砜法的高0.5~1.0 GPa;生产PAN基碳纤维,亚砜法要比硝酸法的工艺更安全,对终端产品碳纤维的质量控制更有利,硝酸法将逐渐被淘汰,亚砜法逐渐成为主流技术。

预氧丝皮芯结构对碳纤维性能的影响

在使用PAN.F(聚丙烯腈原丝)为前躯体制备PAN.CF(聚丙烯腈基碳纤维)的过程中,经过预氧化反应生成的PAN.OF(聚丙烯腈基氧化纤维,俗称预氧丝)是其非常重要的中间过程,PAN.OF的皮芯结构直接影响着PAN.CF的力学性能。借助超薄切片机、电子显微镜、扫描电镜和材料试验机等表征测试手段,系统研究了PAN.OF的皮芯结构对PAN.CF力学性能的影响。研究认为:通过原丝的细旦化和预氧化过程条件的优化可以有效控制或消除PAN.OF的皮芯结构,得到抗拉强度5600MPa以上,弹性模量290GPa以上的碳纤维。

原丝纤度均一性控制及对碳纤维性能的影响

用纤维图像分析仪、超薄切片机、材料试验机研究了PAN·F(聚丙烯腈原丝)纤度及直径不匀率对PAN·CF(聚丙烯腈基碳纤维)力学性能的影响。结果表明,当原丝的直径不匀率大于7.5%时,其对应PAN·OF(预氧丝)皮芯比的CV值达到10%以上,导致PAN·CF的拉伸强度降低约300 MPa。为了制备质量稳定的PAN·CF,提出了PAN·F直径不匀率的控制方法;同时,提出了碳化过程中对于纤度均一性的要求。