聚丙烯腈分子螺旋状结构碳纤维结构
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
粘胶基热解法生产碳纤维：
以为粘胶丝为原料，400度以下分解，1500度惰性气氛中炭化，石墨化温度高于 2800度。 碳回收率低，产量少，成本高。以被前两种方法代替，现已较少使用。
聚丙烯腈（PAN)基碳纤维生产工艺：
工艺特点 碳回收率高，成本低，性能好ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ最有发展前途。
用PAN纤 维制造碳纤 维有三个阶 段：氧化、 碳化、石墨 化。PAN原 丝在制造碳 纤维过程中 的结构变化 见左图。
沥青基碳纤维生产工艺简介：
1、 以聚氯乙烯、煤焦油、石油和沥青混合料为原料，将其纺丝后在250350氧化处理，产生交联结构。 2、炭化是在1350-2000度氮气中进行，纤维保持高度取向结构。 3、石墨化温度为2500-3000度，进一步增加取向程度，模量可达900GPa， 接近石墨单晶理论模量1060GPa。
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
碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
65.9
5. 引发剂种类对聚合影响
样品 引发剂 1 引发剂 2 引发剂 2
转化率 (%) 12 h 76.9 84.8 89.6
粘均分子量 (× 104) / 19.8 22.0
旋转粘度 （Pa.S） / 49 145
GPC Mn 32578 29201 33674 Mw 64723 55412 57118 Mw/Mn 1.99 1.90 1.70
PAN-NVP
50
100
150
200
o
250
300
350
Temperature C
不同聚丙烯腈共聚物的放热峰
8.TGA分析
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在N2中的TGA曲线及其微分曲线
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在空气中的TGA曲线及其微分曲线
9.聚丙烯腈在管式反应器共聚的研究
聚丙烯腈在6米管式反应器共聚的原液性能
Mw/ Mn ≤ 2.8
1. 共聚单体种类对聚合速率的影响
PAN共聚物 PAN-DMI PAN-MBI 聚合时间 （小时） 24 48 转化率 (%) 55.0 81.1 粘均分子量 (×104) 21.4 Mn (×104) 3.3 2.4 Mw (×104) 7.3 6.5 Mw/Mn 2.2 2.7
6.共聚单体含量对等规度的影响
等规度 ≥ 26％
聚丙烯腈的13C－NMR谱图
共聚单体总含量对聚丙烯腈等规度的影响 共聚单体 含量(wt%) 2.5 4.3 5.9
13C-NMR谱
图
等规度(%)
26.0
26.1
29.8
7.共聚单体种类对DSC放热峰的影响
PAN-AM PAN-DMI-IA PAN-DMI
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(PAN)基碳纤维复合材料-作业
b、碳化收率为50%-55%;
c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;
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纤维截面SEM照
PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
全球PAN碳纤维产业发展情况
全球PAN碳纤维产业发展情况
比重不到钢的1/4 ，市面上出售的 PAN基碳纤维密度 在1.75-1.93g/cm3 之间。
耐高温（惰性气 氛下可耐2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基碳纤维的制造
PAN结构式
I→600pm←I
a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料-作业
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 等人造纤维或合成纤维为原料，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。
粘胶基
沥青基
聚丙烯腈基
碳纤维的性能（PAN）
Байду номын сангаас
强度高
密度低
其他性能
理论强度可达到 180GPa。目前东 丽T1000的强度达 到7.02GPa，虽然 远低于理论值但 比钢的强度要高 出很多
聚丙烯腈的结构
聚丙烯腈的结构聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）是一种有机高分子化合物，是丙烯腈（Acrylonitrile，AN）分子的聚合物。
聚丙烯腈分子中有大量的碳-氮键和碳-碳键，具有较好的机械性能和热稳定性，是一种优良的工程塑料。
聚丙烯腈广泛应用于合成纤维、复合材料、电解质膜和各种高分子材料等领域。
聚丙烯腈的结构是由丙烯腈分子通过共价键结合而成的高分子链。
聚合反应一般采用自由基聚合，将丙烯腈单体在过硫酸二铵等自由基引发剂的作用下，发生加成聚合反应。
聚丙烯腈分子的化学式为（-CH2-CHCN-）n，其中n为聚合度。
聚丙烯腈分子的结构中，C=C 双键不参与反应，而是与丙烯腈的另一个碳原子形成了环状结构。
每个丙烯腈分子上的亲核基团-CN会发生聚合反应，加成到相邻丙烯腈分子的C=C双键上，形成聚合链。
聚合反应过程中，若控制反应时间和温度，可以控制聚合度，来获得具有不同性能的聚丙烯腈。
聚丙烯腈的主要结构单元是-CN，因此它具有极强的极性，并且在水中具有良好的溶解度。
但是由于聚丙烯腈中仍含有少量氢、氧等原子，因此可被部分有机溶剂如二甲基甲酰胺、甲醇等溶解。
聚丙烯腈分子链上的氰基（CN）具有极强的空间吸引性，因此聚丙烯腈的分子链会出现固态共晶结构，形成一种有序的晶格构造。
聚丙烯腈的结构中还存在着一些瘤结构单元，如共价键和双键的交替结构、共轭结构、羟甲基等。
这些结构单元的存在不仅影响了聚丙烯腈的物理化学性质，也会影响到加工性能及后续用途。
例如，共轭结构的存在使得聚丙烯腈具有较好的电导性能，可用于制备锂离子电池隔膜；羟甲基的存在则使得聚丙烯腈的亲水性较强，可用于电解质膜的制备等。
总之，聚丙烯腈的结构是由AN单体通过自由基聚合反应而成的高分子链，分子结构中含有-CN、共轭结构以及羟甲基等多种结构单元。
这些结构单元的存在使聚丙烯腈具有较好的物理化学性质和高分子工程应用价值。
聚丙烯腈碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维（PANCF）
最全面应用面最广 生产规模最大 需求量最大（70％-80％） 发展最快 性能最佳
聚丙烯腈碳纤维
PAN 的独特结构
➢ 具有图示的结构，这种结构容易形成共轭结构 的梯形高分子，使其能够承受较快的速度热解而保 持原有的纤维状基本结构。
➢ 分解温度在于熔融温度之前。
从侧向看，分子间—CN相互吸引， 因此导致大分子相互有规则的排列。但 是由于大分子链向上和向下排列的不同 ，而且分子链无规扭曲，因此并不是侧 向全部有序（即并不是全部—CN能配对 ）。因此PAN大分子侧向有序，但还存在 无定形部分。
分子间的—CN在无定形区也有相互 作用，尽管这时—CN的相互作用不是很 有规则，但也并不是杂乱无章。因此PAN 非晶区的规整程度比一般高聚物的无定 形区高。
聚丙烯腈碳纤维
尽管在链的侧面（a轴和b轴）方向上分子链之间的排 列是有规则的，但在c轴方向不存在等同周期，因此 PAN纤维并不是真正的结晶结构。
PAN非晶区的规整程度较高，因此没有一般概念的无 定形部分。
典型半结晶聚合物、纤维的玻璃化转变和它们的无定 形区相关,PAN的玻璃化转变和它的无定形部分关系不 明确。
熔融纺丝
➢ 纺速远比湿纺高 ➢ 表面缺陷、内部孔洞 ➢ 纯度较高 ➢ 内部残留溶剂难于去除 ➢ 碳聚丙纤烯腈维碳纤质维 量低下
优质原丝需要具备的特性：
➢ 高分子量（数均分子量为-2.6X105） ➢ 适当的分子量分布（重均数均比2.0-2.5） ➢ 最小的分子缺陷 ➢ 结晶取向度90％以上 ➢ 低共聚组分含量（2-3％） ➢ 低纤度（0.7-1.2 旦）有助于原丝向CF转化时 ➢ 热量的放出。可避免放热引起的得率降低 ➢ 高强度及高模量 ➢ 拉宽加热过程中由于氰基排列产生的放热峰，
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变按照原料来源，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等，其中PAN 基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，且其应用领域非常广泛，因此PAN 基碳纤维在市场占据主导地位。
PAN基碳纤维是以PAN原丝为原料，经过预氧化、低温碳化、高温碳化制备得到，若在此基础上进一步高温石墨化处理，可以制备得到高强高模碳纤维（又称：石墨纤维）。
在预氧化阶段，具有线型分子结构的PAN原丝经过环化、脱氢、氧化等复杂化学反应，转变具有耐热梯形结构的预氧化纤维，这种具有耐热梯形结构的纤维在惰性气体保护的碳化环境下，可以不融不燃，保持纤维形态，经过低温碳化、高温碳化后形成具有乱层石墨结构的碳纤维。
经过几十年发展，PAN原丝向碳纤维内部结构尤其是微观化学结构演变机制已基本明确，但是有关转变过程中表面结构演变规律研究则鲜有报道。
中科院宁波材料所特种纤维事业部以自研6k规格PAN原丝为原料，经过180℃-300℃预氧化、300℃-800℃低温碳化、1000℃-1600℃的高温碳化制备得到碳纤维，详细研究了PAN原丝向碳纤维转变过程中表面结构演变规律，针对转变过程中各阶段纤维：PAN原丝（Precursors:PF）、预氧化纤维（Thermo-oxidized fibers：TF）、低温碳化纤维（Low-temperature carbonized fibers：LCF）、高温碳化纤维（Carbon fiber: CF）表面特征结构进行了对比研究。
一、纤维表面物理形貌研究阶段纤维表面的扫描电镜结果显示，在PAN原丝向碳纤维转变过程中纤维表面轴向沟槽特征结构得以保留，与原丝（PF）相比，由于预氧化阶段存在双扩散过程，即：空气中氧元素由表及里扩散以、环化脱氢后以水蒸气形式由内向外扩散，该扩散致使预氧化纤维（TF）表面沟槽结构愈加明显，经过低温、高温碳化后，由于高温环境下化学反应剧烈，低温碳化纤维（LCF）与高温碳化纤维（CF）表面沟槽变窄。
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參考資料
1.複合材料纖維學 許順發、郭文 雄 編著 2.纖維高分子複合材料問答集 .tw/~young/pccl/faq.ht ml#101
謝謝寧聽
聚丙烯腈要轉變為碳纖維，其首要之程序就是將其聚合物先抽成絲，在經 過環化，碳化，石墨化過程才能逐步轉化成高強度及模數之碳纖維，其行程是 一個複雜且繁複的過程。 碳纖維的良好性能，主要是由於其石墨的結晶結構，碳元子形成平面六角
的共價鍵結合，此平面的碳層互相疊合並捲曲成”長柱形”，而形成碳纖維‧
因此碳纖維在纖維的方向，由於共價鍵的緣故，具有較高的強度，而在橫向方 面，每一碳層間，則是靠較弱的凡得瓦力來結合。
大直徑之纖維。
玻璃纖維之性質：
1.高拉伸強度：玻璃纖維有特異的高拉伸強度，它的強度與重量比超過 鋼絲某方面之應用。 2.耐熱及耐火性：因玻璃纖維是無機化合物，故它不自燃易不助燃 3.耐化學性：對部分化學品，玻纖有相當優異之耐化學性。 4.抗濕性：玻璃不吸收水分，在濕的環境下保持一貫的機械強度 5.熱性質：由於低的熱線性膨脹和高的熱傳導係數，因而在熱環境下玻 璃纖維顯現優越的功能。
聚丙烯腈分子螺旋狀結構
碳纖維結構
玻璃纖維
玻璃纖維之製造，一開始係以矽砂和石灰石，硼酸及一些其他 化學品像黏土、媒、氟石乾混，這些混合物在高溫爐內熔融。 一般大約是1260度。根據玻璃組成份有關。接著熔融玻璃直接 流入纖維延伸爐內，或入大理石製機器，在溶解並抽成纖維。 每根從套孔中抽絲之纖維必須控制，如此才能得到所需纖維股 之尺寸及性質，要控制纖維之規格則靠熔融黏度、溫度及抽絲 速度之調整來完成；或藉由改變的材料。
+
塑膠
碳纖維
=
相 機 腳 架
iphone外殼
高 級 安 全 帽 筆電外殼
+
塑膠 玻璃纖維
=
船殼
水溝蓋
軟管
結語
現今的產品都充斥著複合材料，許多產品尤其是塑膠產品一定也都會
添加強化劑強化，這些都是複合材料。
碳纖維與玻璃纖維的產品當然不只是我們所講的這些產品而已，現在 很多塑膠產品或多或少都會加幾%的碳纖維或者玻璃纖維下去加強產 品的機械性能。複合材料之普遍幾乎是，我們所用的塑膠產品基本上 都是複合材料的產品。
高分子複合材料是以高分子塑膠為”基材”，纖維為”補強材”所
製成的材料，其中纖維可以不同的型式均勻的散佈在高分子塑膠中， 用來增加材料的機械性質。
碳纖維
用來製造碳纖維之母材，發展至今不下百種，而全世界生產碳纖維有百 分之八十、九十來自於聚丙烯腈。合成聚丙烯腈目前有兩種常用方法，分別為
1.溶液聚合 2.溶劑-水懸浮聚合。
纖維複合材料
組員:方凱弘49612014
馮冠廷49612013
張祥承49612101
前言
複合材料由於質輕，機械強度高，故廣泛應用在許多工業製造上更 甚至用於外太空中的惡劣環境中。
因為複合材料有高勁度、高強度、可裁剪性、耐腐蝕性、抗疲勞性、
低的熱膨脹性等特性。這多方面的功能都歸因於使用纖維補強之故。 複合材料能充分發揮其長處且展現各種特性，追根究柢在複合材料 之強化物，現今較為常見的是碳纖維與玻璃纖維機乎佔了整個強化 纖維織全部。