聚丙烯腈与碳纤维共31页
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理碳纤维作为一种具有高强度高模量的先进材料，通常需要与其他基体材料进行复合制备成复合材料进行使用。
由于碳纤维本身经过1300℃以上的高温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具有较强的惰性，与高分子树脂等基体进行复合时，纤维与树脂的结合较差，影响纤维优异力学性能的发挥，并最终影响复合材料的性能。
因此在碳纤维制备过程中，通常需要对碳纤维进行表面处理，增加其表面的活性基团，增强与树脂等基体之间的结合。
5.3.1 表面处理方法由于碳纤维表面处理对其复合材料性能提高的作用，因此表面处理方法的研究也是碳纤维制备技术研究的重点。
经过多年的研究，科研工作者开发了多种对碳纤维进行表面处理方法，表5.11列出了可以对碳纤维进行表面处理的不同方法及其影响因素。
在这些处理方法中，目前应用在工业化生产上的基本上都是电解氧化法。
表5.11 碳纤维表面处理方法和影响因素序号类型处理方法影响因素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、空气、水蒸气/空气、NO/空气时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/ H2SO4、NaClO3/H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比例、3 电解氧化氨水、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等水溶液时间、电压、电流密度、电解质浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电引发聚合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 聚合物电沉积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马来酸酐共聚物时间、电压、电流、溶剂、共聚物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性聚氨酯炭黑树脂组成含量、涂覆量8 高温气相沉积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石墨晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面聚合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、异氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、空气、SiC涂层、AN聚合时间、真空度、功率、流动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间5.3.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、氧等)中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
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碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料PPT课件
截止2011年底，中国大陆具备500t产能以上规模、具有原丝 和碳纤维制备的企业共有7家，其中有4家企业建起千吨以上产能 规模。
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
750 0
52150 36505
2010 17600 13500 7400 7450 4750 3000 1500
0 57650 40335
2011 17600 13500 7400 8750 5500 3000 3500
卓尔泰克集团
13000 13000 13000 13000 13000
大丝束 24K/48K/50K /60K/80K/320
K及以上
德国SGL集团 三菱人造丝公司 东丽集团
6000 6000 700 700 300 300
6000 7500 2700 2700 300 300
9000 2700 300
3.能源和工业：风力发电机叶 片，太阳能基板、高档汽车、 建筑板材、装备制造
长征6号运载火箭
航空航天
美国航天飞机
欧洲空客A380
高尔夫球杆 钓鱼竿
体育休闲
网球拍 捷安特XTC-ADV-SL
海洋风力发电
能源和工业
太阳能电池板
F1方程式赛车
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
聚丙烯腈碳纤维的制备过程
聚丙烯腈碳纤维的制备过程嘿，你知道聚丙烯腈碳纤维吗？这可是个超级厉害的东西呢！今天我就来给你讲讲它是怎么制备出来的。
我有个朋友叫小李，他就在一个研究碳纤维的实验室工作。
有一次我去他那儿参观，就像刘姥姥进大观园一样，对啥都好奇。
他就开始给我讲聚丙烯腈碳纤维的事儿。
聚丙烯腈碳纤维的制备啊，得从原料开始说起。
这原料聚丙烯腈，就像是盖房子的砖头一样重要。
它是一种高分子聚合物，白色粉末状的东西。
这原料可得精挑细选，要是质量不好，就像做菜用了坏的食材，后面再怎么努力都白搭。
那些生产聚丙烯腈的厂家就像是原料的把关者，得保证它的纯度啊、分子结构啥的都符合要求。
首先呢，要进行聚合反应。
这就好比是把很多小珠子串成一条长长的珠链。
在这个过程中，会有各种化学物质参与进来，就像是一群小伙伴齐心协力来完成这个任务。
反应的条件也很重要，温度、压力这些就像是指挥小伙伴们干活的小队长，得控制得刚刚好。
要是温度太高了，就像一群人在炎热的太阳下干活，容易乱套，反应可能就进行得不好。
我当时就问小李：“这温度控制是不是超级难啊？”小李笑着说：“那可不，就像走钢丝一样，得小心翼翼的。
”聚合反应完成之后呢，就得到了聚丙烯腈的纺丝液。
这纺丝液啊，看起来有点像胶水，黏黏的。
接下来就是纺丝的过程啦。
想象一下，这纺丝液就像是从一个超级小的嘴巴里挤出来的面条一样。
只不过这个“嘴巴”是很精密的喷丝头。
从喷丝头出来的丝啊，细得不得了，就像头发丝儿一样，不，甚至比头发丝儿还细呢。
这时候，周围的环境也很关键。
得让这些丝在合适的氛围下凝固成型，就像小树苗需要合适的土壤和空气才能茁壮成长一样。
我又好奇地问小李：“这丝这么细，不会断吗？”小李说：“这你就不懂了吧，在这个过程中，会有一些措施来保证丝的强度。
就像我们保护小婴儿一样，得给它足够的呵护。
”这些丝被卷绕起来，就像是把长长的线绕在一个线轴上。
然后啊，就是预氧化的过程。
这个过程可神奇了。
预氧化就像是给这些丝来一次初步的变身。
聚丙烯腈碳纤维
（3）PAN纤维形成准晶
PAN纤维序态结构的特点，与PAN大分子 中的—CN有关。氰基一个突出的特点是它的 偶极矩较大（3.9德拜）。
从纵向看，由于大分子链内—CN相互排 斥，使大分子链扭曲成不规则状态，无一定 “螺距”，所以不能整齐堆砌形成晶区中的 等同周期，从而造成纵向无序。
由于伸展扭结的PAN链不能装入直径为0.6nm的 圆筒内，于是一些氰基伸出圆筒外，这些氰基以逆 平行方向取向，使链间产生吸引力，形成“侧向键 合”,从而产生相当高的结晶度。
第34页，共69页。
PAN这种二维结晶形态，与液晶相似。液晶的 刚性棒状分子堆积形成的也是二维有序结构。
因此，“初生纤维的凝聚态结研究，纤维晶 区取向结构与非晶区特征结构”“复杂外场对纤 维晶区取向结构和非晶特征结构间的关联性” “ 聚合物链结构、溶胶-凝胶转化过程中PAN纤维结 构的形成和后续过程中复杂外场下结构的演变规 律”等研究，应该针对PAN纤维的准晶特征展开。
PAN纤维的序态结构与多数纤维不同。 没有真正的 结晶结构，也没有一般概念的无定形部分。
第31页，共69页。
（2）PAN纤维的X-射线衍射图
二个显著特点：
赤道线上有强烈的反射弧线，而在纬向则没有 明显的反射点（或弧线）
不存在晕圈。
表明：
纤维内存在一些晶面，这些晶面与纤维轴平行 ，并作有规则的 等距离排列。可以说在大分子链的侧向存在着一系列等距离排列 的分子层（其平面和分子链平行）。 不存在和纤维轴垂直的晶面。这表明大分子纵向原子排列无序。
聚丙烯腈碳纤维
第1页，共69页。
内容
碳纤维概述
PANCF的制备方法及结构演变 存在的科学问题及技术改进方向
第2页，共69页。
聚丙烯腈论文：碳纤维用聚丙烯腈溶液共聚合反应研究
聚丙烯腈论文：碳纤维用聚丙烯腈溶液共聚合反应研究【中文摘要】碳纤维自上世纪六十年代开始发展以来,以其比重小、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀等一系列优良特性,成为未来最具发展前景的材料之一。
制备碳纤维的前驱体有很多,其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的产量占到了90%以上。
聚丙烯腈基碳纤维的生产可分为两步：聚丙烯腈纺丝原液的制备和原丝的预氧化与炭化。
其中的聚丙烯腈往往是丙烯腈和少量其它单体的共聚物,共聚物的合成是制备碳纤维的第一步,也是最为关键的环节,其性能直接影响到碳纤维的性能。
本论文采用高浓度的丙烯腈(AN)和少量衣康酸(IA)混合物为共聚单体,低浓度的偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,在溶剂二甲基亚砜(DMSO)中,进行丙烯腈溶液共聚合,制备高分子量的聚丙烯腈。
通过测定不同温度、引发剂浓度、共聚单体含量、总单含量下,经过不同反应时间条件所得到的AN-IA共聚物的转化率,探讨了上述因素对聚合反应速率的影响。
以DMF为溶剂,在30℃条件下,用乌氏粘度计测量各个反应条件下所得共聚物的分子量,探讨聚合条件对分子量的影响。
经过上述实验,得到了转化率30%以下,粘均分子量在30-100万的AN-IA共聚物。
发现不同的条件下,聚合过程中聚合液及共聚物的形态差别较大。
经过定量测定,绘制了各个条件下反应的转化率-时间关系曲线。
发现反应速率和分子量均随总单浓度的增大而增大,却均随衣康酸含量的增大而减小。
温度、引发剂含量的增大均使反应速率显著增大,却使分子量减小,而反应时间的增大虽使转化率增大,但对分子量却基本没有影响。
以衣康酸单正丁酯(MI)为共聚单体,中等浓度的偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,在二甲基亚砜(DMSO)中,进行AN-MI溶液共聚合。
初步探讨了IA的加入对共聚反应的影响,并得到一组转化率-时间关系图。
在各个不同温度下,改变AN/MI配比,得到转化率为10%以下的AN-MI共聚物。
采用元素分析方法,得到共聚物中两种单体单元的组成。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能、应用及相关标准
少 的工程材料 ，同时在体育用 品 交通运输 医疗器械和
土木 建筑等 民用领 域也有 着广泛应用 。Ｐ ＡＮ基碳纤 维生产 工 艺简 单 ，产 品综 合 性能好 ．因而 发展 很快 ，产 量 占到
９ ％以上 ．成为最主要 的品种 。 ０
ｌ 国 内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状
１１国外发展现状 ．
进 行 了展 望 。
关键 词 ：碳纤维 ；聚丙烯腈 ；标准
Ａｂ ｔａ ｔ Ｐ ｓｒ ｃ ： ＡＮ． ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｒ ｓａｎ ｗ ｔｒａ ｔ ｘ ｅ ｔ ｎ ｌ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒｙ Ｉ ａ ｅ ｎ ｅ ｔ ｎ ｉ ｅｙ ｂ ｓ ｄＣａｂ ｎ ｆ ｅ ｅ ｍａｅ ｉ ｌ ｈ ｅ ｃ ｐ ｉ ａ ｉ ｉ ｗｉ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｏ ｅ ｔ ． ｔ ｓｂ ｅ ｘ ｅ ｓｖ ｌ ｐ ｈ ａ ｐ ｉｄ ｉ ｖ ａ ｉ ｎ ｐ ｃ ｌ ｈ ， ｏ ｓｒ ｃ ， ｐ ｒｓ ａ ｔ ｍ ｏ ｉ ，ｍｅ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｃ ｆｅｄ ． ｂ ｉ ｆｒ ｖ ｅ ｏ ｅ ｐ ｌ ｎ ａ ｉｔｏ ，ｓ ａ ｅ ｆ ｇ ｔ ｃ ｎ ｔ ｔ ｓ ｏ ｔ ， ｕ ｏ ｂ ｌ ｅ ｉ ｕ ｅ ｄ ｃ ｌｔ ｔ ｎ ， ｔ ． ｌ ｓ Ａ ｒｅ ｉ ｗ ｆｔ ｅ ｉ ｅ ｈ ｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｔｓｔ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ Ｐ Ｎ— ａ ｅ ｒ Ｏ ｉ ｅ ｔ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｗｅ ｅ ｉ ｃｕ ｅ ． ｕ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｔ ｅ ｖ ｌ ｔ ｎ ｕ ｒ ｎ ｉ ｔ ｆｔ Ａ ｂ ｓ ｄ Ｃａ ｂ ｎ ｆ ｒ ａ ｍｅ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｒ ｎ ｌ ｄ ｄ Ｆ ｒｈ ｒ ｒ ． ｈ ｏ ｕ ｏ ｈ ｂ ｈ ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ａ ｅ ｆｔ ｅ Ｐ ｒ ｐ ｒ ｔ ． ｔ ｔ ｒ ．ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｈ ｐ ｌ ｔｏ ｒ ａ ｏ ＡＮ． ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｒｗｅ ｅ ａ ｓ ｎ ｏ ｕ ｅ ． ｏ ｕ ｃ ｈ ｂ ｓ ｄ Ｃａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｒ ｌｏ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｉ ｒ Ｉ ｔ ｒｅａ ｅ ｔ ｎ ａ ｄ ｎ ｓ ｅｈ ｄ ｒ ｐ ｃｆ ａ ｌ ｘ ｒ ｓ ｅ ． ｈ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｆ ｔ ｒ ｓｐ ｏ ｐ ｃ ｅ ． ｎ ｅ ｒ ｌｔ ｄ ｓａ ｄ ｒ ｓａ ｄ ｔ ｔ ｔ ｏ ｓ ｅ ｍ ｗｅ ｅ ｓ ｅ ｉ ｃ ｌ ｅ ｐ ｅ ｓ ｄ Ｔ ｅｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｕ ｅｗａ ｒ ｓ ｅ ｔ ｄ ｉ ｙ ｉ ｈ ｕ