聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈基碳纤维
作者：黄夏
来源：《科学与财富》2011年第09期
[摘要] 本文对聚丙烯腈基碳纤维的微观和宏观结构进行了阐述，以及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法、工艺流程以及生产过程中纤维形态结构和化学结构的变化以及碳纤维的表面改性，并从纤维结构的特点上阐述了聚丙烯腈独特的应用。

[关键词] 聚丙烯腈基碳纤维结构性能制备应用
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是指纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

目前碳纤维的制备是利用现有的人造纤维或合成纤维，如PAN纤维、粘胶纤维等，经过预氧化热稳定后，再经炭化等工艺，间接制造具有一定性能的碳纤维，或者采用化学气相沉积方法制备纳米碳纤维或短碳纤维。

本文主要介绍以聚丙烯腈为前驱体制造的综合性能较好的碳纤维的结构性能，制备以及应用前景。

1、聚丙烯腈基碳纤维的结构
碳纤维中主要是石墨和过渡态两种形式，而过渡态碳包括无定形碳、乱层石墨结构和一些三维石墨结构。

1.1微观结构
构成碳纤维的基本结构是sp2型碳的原子条带组成，类似于石墨结构中的六元环网面但是在碳纤维中这样的二维面是不完整的，具有不规则的外形，带面内包含有空洞，原子错位等缺陷。

1.2宏观结构
普遍认为碳纤维是由平行于纤维轴的二维乱层石墨微晶组成，并具有晶相结构、非晶相结构和针状微孔。

在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，一般由数十张层片组成石墨微晶，由石墨微晶再组成原纤维，最后由原纤维组成碳纤维单丝。

1.3形态结构
PAN基碳纤维截面多为圆形或椭圆形，表面可以看到原纤结构。

碳纤维的纵向表面有许多与纤维轴平行的不均匀沟纹，在截面上还有皮芯结构及纤维表层圆周取向结构。

2、聚丙烯腈基碳纤维的性能
碳纤维的比重轻、密度小具有超高强力与模量且纤维细而柔软具有很好的耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能，化学性质稳定，耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔表面活性、吸附性强的活性炭纤维。

纤维的热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热且在高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度为800℃，极限氧指数55并且具有优异的导电性，x射线透过性及电磁波遮蔽性。

纤维自身具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低，生物相容性好，生理适应性强。

3、聚丙烯腈基碳纤维的制备
工艺流(如图)
3.1原丝的制备
将一定量的聚丙烯与少量共聚单体如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和衣康酸等和一定量的二甲基亚砜，通过水相悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合或本体聚合在聚合釜中制得PAN聚合物。

得到的聚合物溶液经过脱除残余单体后即得聚丙烯腈纺丝原液，负压脱泡后进行湿法或干湿法纺丝，获得聚丙烯原丝，直径在12μm左右。

3.2原丝的预氧化
PAN纤维在200～300℃的空气中受张力加热，使丙烯腈的线性分子链转化成耐热的梯形结构，使得原丝在高温炭化时不熔不燃，保持纤维形态，帮助最后碳纤维的形成。

预氧化过程中所发生的反应包括环化、脱氢及氧化反应，最后得到预氧化丝，直径在10μm左右。

反应过程：
环化反应：在热处理时，PAN分子间相邻氰基的加成反应，形成稳定性较高的梯形结构。

脱氢反应：未环化的聚合物或环化的杂环由于氧的作用发生脱氢反应，产生大量的水。

促使主链上双键形成，赋予主链更高的稳定性，使预氧化丝具有耐热性。

氧化反应：氧化脱氢的同时氧直接与预氧化丝结合生成羟基、羧基、羰基等。

3.3预氧化丝的碳化
预氧化丝在惰性气体的保护下，经350～1600℃的热处理采用多段式的升温速率在减压环境下进行，使纤维中的非碳原子被裂解出去，预氧化时形成的梯形大分子发生交联，转化为稠环结构。

纤维中的含碳量从60%增加到95%，形成一种由梯形六元环连接而成的乱层堆积石墨结构，最后得到碳纤维直径在6～7μm。

3.4石墨化处理
在氦气或氩气的保护下，碳纤维经过进一步高温处理，得到石墨纤维。

石墨化处理将碳纤维放入2500～3000℃的高温下，可得到含碳量在99%以上的更高模量碳纤维。

3.5碳纤维的表面处理
在碳纤维平面上C-C之间以非极性的共价键联接，比表面能很小，且碳呈平行堆积乱层结构，碳纤维性脆易断，不耐磨。

需进行表面处理以改变碳纤维空洞与裂纹形貌，增加活性基团，从而增加物理吸附与化学键合的几率，改善与集体材料的界面粘接条件。

表面处理方法有高温热处理，化学氧化法和气相沉积法等。

4、聚丙烯腈基碳纤维的应用
碳纤维增强复合材料，是一种极为有用的结构材料。

它不仅质轻、耐高温，而且有很高的抗拉强度和弹性模量。

4.1航空航天
碳纤维复合材料具有高比碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度（比模量)、耐高温、可设计性强等一系列独特优点，是导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船、雷达，等结构上不可或缺的战略材料。

4.2汽车构件
采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。

碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。

4.3体育用品
碳纤维有较高的拉伸强度和拉伸模量且比强度高可制得高强度的轻、薄的体育器材。

而且碳纤维复合材料兼具树脂基体和碳纤维的特性，其性能随基体材料和碳纤维特性的不同而变化，能够制备成符合各种要求的体育器材。

4.4建筑器材
碳纤维自重轻，强度高，耐久性好、抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。

4.5风力发电叶片
使用碳纤维制作风力发电叶片代替以往的玻璃纤维增强材料制作的风力发电叶片，使材料不仅能满足尺寸上的要求更能达到刚度上的要求，提高的风力发电的效率，增加了风机的容量也减少了材料损耗带来的消耗。

5、总结
聚丙烯腈基碳纤维是一种性能优良具有超高比强度和比模量的纤维材料，以聚丙烯腈纤维做原丝制备的高性能碳纤维的制备工艺简单，是现阶段市场上碳纤维的主要制备方法。

高性能碳纤维由于具备高比强度与比模量主要用于增强材料，除此之外，碳纤维还具备一般碳材料的各种优良性能，如比重小，耐热、耐化学腐蚀、耐热冲击等。

在2000℃以上的高温惰性环境中，碳纤维是唯一强度不降低的材料。

因此，碳纤维的应用十分广泛，作为前途广阔的新型工业材料我们应该从碳纤维生产的各个环节加强研发，制备出具有更优异力学性能的碳纤维。

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参考文献
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作者简介：焦荣（1969—），女，重庆人，工程师，研究领域：电子信息技术及教育管理；陈良（1969—），男，重庆人，工学硕士，教授，研究领域：电子信息技术及教学管理。