聚丙烯腈基碳纤维性质及其性能方面研究
王立楠100201班
摘要:汇述了碳纤维应用领域、世界碳纤维市场、世界碳纤维制造、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产商与制造工艺以及中国碳纤维发展现状与趋势，尤其近年来在大飞机重大专项的牵引下，我国各地争上千吨级碳纤维项目，而形成“碳纤维热”。同时，为缩小与国外先进水平的较大差距，提出“突破PAN原丝关键技术瓶颈，避免重复引进和重复研究，加快提升自主创新能力”3项发展建议。
关键词:碳纤维；应用领域；市场需求；产能；生产
Study on polyacrylonitrile based carbon fiber properties and performance
Li’nan Wang class:100201
Abstract: The carbon fiber application fields, world’s market, capacities of foreign producers and their extending plan, production technologies and the development situation & trend of carbon fiber in China are illustrated, especially
in the drawing of China’s big airplane important project, several 1 000 t/a carbon fiber programs were constructed all over the country, forming “overheat”in carbon fiber in recent years. In the same time, three suggestions are put forward in order to shorten the distances with foreign companies, they are “making a breakthrough at the bottleneck of PAN precursor key technologies, avoiding the repeated imports of foreign equipment and re -searches, accelerating and raising the ability of innovation ”.
Key words: carbon fiber; application territory; market demand; production capacity; advance
1、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的用途
PAN碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料，是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在军机、导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用，是一种战略性新材料。
碳纤维在民用领域也得到广泛应用，如文体休闲制品、建筑补强、风力发电、深井采油、高速交通等高新技术领域，其市场规模不断扩大。在经济高速发展中，我国碳纤维复合材料制品也获得快速发展，特别是我国已成为体育休闲用品生产大国。我国碳纤维在工业应用领域也得到快速发展，每年需大量进口碳纤维，如2007年全世界碳纤维产量达到3万t，我国进口约6000多t，约占世界总产量的1/5。
2、碳纤维性质
碳纤维是一种力学性能优异的新材料。他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。因此，可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。
由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。
碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：耐高温, 耐磨擦, 导电, 导热及耐腐蚀等, 其外形有显著的各向异性, 柔软, 可加工成各种织物, 又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度, 碳纤维增强环氧树脂复合材料, 其比强度、比模量综合指标, 在现有结构材料中是最高的。碳纤维还具有极好的纤度〔纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数〕，一般仅约为19克, 拉力高达300kg/mm2。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温，化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。
碳纤维的物理性质如下：
(1)碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000℃)石墨化处理，密度可达2.0g/cm3。
(2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6～-0.90×10-6 K-1)，而垂直于纤维方向是正值(32×10-6～
22×10-6 K-1)。
(3)碳纤维的比热容一般为7.12×10-1KJ/(kg·K)。热导率随温度升高而下降。
(4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775ìù/cm，高强度碳纤维为1500ìù/cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。
表1 不同种类碳纤维的力学性能
分类拉伸强度/GPa 弹性模量/GPa
高强度碳纤维 2.94 196
高模量碳纤维 2.74 225
中模量碳纤维 1.96 372
耐火材料0.26 392
碳质纤维 1.18 470
石墨纤维0.98 98
碳纤维的化学性质如下：
碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
3、PAN基碳纤维的制备
PAN基碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程:首先通过丙烯腈聚合和纺纱等一系列工艺加工成被称为“母体”的聚丙烯腈纤维或原丝, 将这些原丝放入氧化炉中在200～300℃进行氧化,还要在碳化炉中,在温度为1000～2000℃下进行碳化等工序制成碳纤维。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、
计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。
根据产品规格的不同,碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括48K、60K、120K、360K和480K等。小丝束碳纤维初期以1K、3 K、6 K为主,逐渐发展为12K和24K。
碳纤维有四种产品形式: 纤维、布料、预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列,并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；切短纤维指的是短丝。见图表2
图表2
聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。
生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理[6]。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l600℃)，即碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。
由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。
结构：碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大[7]。碳纤维各层面间的间距约为3.39～
3.42?，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。
性能特征：碳纤维的化学性能与碳十分相似，在空气中当温度高于400℃时即发生明显的氧化，氧化产物CO2、CO在纤维表面散失，所以其在空气中的使用温度不能太高，一般在360℃以下。但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到1500～2000℃，而且温度越高，纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力（即不能打结）[8]。
碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模（HP）等多种规格，其性能指标见表3。
4、结语
突破PAN原丝关键技术瓶颈
PAN原丝水平的落后是制约碳纤维生产水平提高的瓶颈，不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。当前亟待掌握高性能PA N原丝生产技术，抢占市场先机。在完善碳纤维生产技术的前提下，尽快在PAN原丝制造工艺技术上取得突破，发展高质量的上游产品生产线，保证碳纤维生产稳定、产品优质，从而在关键技术上打破了国外的封锁与垄断。
[1]张家杰.国内外碳纤维生产现状及发展趋势.护工技术经济[J].2005,4(23):12～19
[2]钱伯章.行业动态(合成纤维).2008,11:53～55
[3]胡志鹏.碳纤维生产技术及市场.中国石油和化工经济分析.2006,17:22～25
[4]碳纤维的应用前景.中国投资.2002,3:84
[5]春胜利,黄榴红,李勇锋.碳纤维及其在复合材料方面的应用.玻璃钢.2005,2:5～14
[6]冀勇斌.碳纤维及其在复合材料中的应用.陕西纺织.2002,(4):26～34
[7]钱水林.碳纤维的应用级市场需求分析.2008,1(24):26～29
[8]钱伯章,朱建芳.碳纤维发展现状及市场分析.合成纤维SFC.2007,7:10～17
[9] D.B. Miracle and B. Maruyama, “Metal Matrix Composites
for Space Systems: Current Uses and Future Opportunities,”
Proc. National Space and Missile Materials Symp., ed. M. Stropki
(Dayton, OH: Anteon Corp., 2000).
[10] C.C. Carlson, “Polymer Composites: Adjusting the Commercial
Marketplace,” JOM, 45 (8) (1993), pp. 56–57.
[11] 钱伯章. 新能源科技与生产[J]. 北京:科学出版社, 2009.
[12] GEIBER H.K. Carbon fiber advance[J]. Chemical Week, 2009, (6).
[13] 我国碳纤维产业化“联合舰队”起航[N]. 中国化工报, 2009.
[14] 汪家铭. 聚丙烯腈基碳纤维的发展与应用[J]. 化工新型材料, 2009, (8): 12－14.
浅谈对高分子材料的认识 214——马欢欢
高分子材料，顾名思义，是指以高分子化合物为基本组成，加入适当助剂，经过一定的加工制成的材料。高分子材料与我们的生活息息相关。我们身边天然的高分子材料，例如棉花、毛、蚕丝和木材中的纤维素等，是我们生活中重要的一部分。随着社会的发展，开始出现了改性天然高分子材料和合成高分子材料，例如塑料、树脂等，极大地改善了我们的生活条件，推动了社会进步。下面我就简单谈一下我对于高分子材料的认识，主要是高分子材料的分类和应用。 高分子材料有很多种类。从来源来分，可以分为天然高分子材料、改性天然高分子材料和合成高分子材料。举例来说，蛋白质、天然橡胶、纤维素等属于天然高分子材料，改性淀粉、硝化纤维等为改性天然高分子材料，有机玻璃、涤纶、尼龙等为合成高分子材料。 如果根据使用性质来分，可以将高分子材料分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。 塑料是用途最广泛的合成高分子。人们常用的塑料是以合成树脂为基础，再加入塑料辅助剂（如填料、增韧剂、稳定剂、交联剂等）制得的。通常，按塑料的受热行为和是否具备反复成型加工性，可以将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料受热时熔融，可进行各种成型加工，冷却时硬化。再受热，又可熔融、加工，即具有多次重复加工性。如，PE,PET等。热固性塑料受热熔化成型的同时发生交联固化反应，形成立体网状结构，再受热不熔融，在溶剂中也不溶解，当温度超过分解温度时将被分解破坏，即不具备重复加工性。如果按照用途来分，可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料一般指产量大、用途广、成型性好、价格便宜、力学性能一般，主要作为非结构材料使用的塑料，如PE、PP、PVC、PS等。工程塑料具有较高的力学性能，能够经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，并且在此条件下能够长时间使用，且可作为结构材料。如PC、PPO、PPS等。特种塑料一般指具有特种功能，可用于航空航天等特殊应用领域的塑料，如氟塑料、有机硅等。 早期的橡胶是取自橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的材料，是一种高弹性的高分子化合物。橡胶按照来源可以分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料（单体）可以合成出不同种类的橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。通用合成橡胶是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种，如丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶等，主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。
聚丙烯腈基碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的研制1．聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF） 碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，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。PAN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90%以上，成为最主要的品种。 1.1聚丙烯腈基碳纤维的制备 聚丙烯基碳纤维是继粘胶基碳纤维后第二个开发成功的碳纤维。它是目前各种碳纤维中产量最高品种最多发展最快技术最成熟的一种碳纤维。 聚丙烯腈（PAN）是由（AN）聚合而成的链状高分子。 由于PAN在它的熔点317℃以前就开始热分解，因此不能采用熔融纺丝而只能通过溶剂进行湿法或干法纺丝。 聚丙烯腈碳纤维的生产过程分三步：(1)预氧化；(2)高温碳化处理；（3）高温石墨化处理。 (1)聚丙烯腈原丝的预氧化 预氧化的目的就是为了防止原丝在碳化时熔融，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基，羰基，这样可在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。在聚丙烯腈纤维预氧化过程中可能发生的主要化学反应和氧化脱氢反应。 分析结果表明在大约200℃左右约有75％氰基发生了化学反应。未环化的杂化发生氧化脱氢反应，使纤维中结合一部分氧。一般认为，在制造聚丙烯腈碳纤维时，纤维仅需要部分氧化，含氧量在5％~10％较好。预氧化采用的方法有两种：空气氧化法和催化法。 原丝在200~300℃空气中预氧化时，其颜色从白→黄→棕→黑，说明聚合物发生了一系列的化学变化，并开始形成石墨微晶结构。催化环化是将聚丙烯腈原丝在225℃的SnCl4二苯醚溶液中催化成环。催化法有可能使部分氰基未被氧化，造成结构缺陷。目前工业生产上普遍采用的是空气预氧化法。 同时为了提高碳纤维的力学性能，在原丝预氧化时同时采用引力牵伸。 (2)预氧化的碳化 预氧化的碳化一般是在惰性气氛中，将预氧丝加热至1000~1800℃，从而除去纤维中的非碳原子(如H，O，N等) 。生成的碳纤维的含碳量约为95％。碳化过程中，未反应的聚丙烯腈进一步环化，分子链间脱水，脱氢交联，末端芳构化成氨。随着温度的进一步升高，分子链间的交联和石墨晶体进一步增大。碳化温度对碳纤维的力学性能有很大的影响。在碳化过程中，拉伸强度和弹性模量随温度的升高而升高。但在拉伸强度在1400℃左右达到最大值。这是由于随温度的提高，碳纤维中的石墨晶体增大，定向程度提高，因而拉伸模量升高而拉伸强度趋于下降。 (3)PAN的石墨化 石墨化过程是在高纯度惰性气体保护下于2000~3000℃温度下对碳纤维进行热处理。碳纤维经石墨化温度处理后，纤维中残留的氮，氢等元素进一步脱除，六角碳网平面环数增加，并转化为类石墨结构。 在PAN石墨纤维的制备中，牵伸贯穿生产全过程。不仅在生产PAN原丝时需要多次牵伸。牵伸使微晶沿纤维轴向择优取向，微晶之间堆积更加紧密，从而使密度和模量提高。
浅谈对高分子材料的认识 20132640214——马欢欢
高分子材料，顾名思义，是指以高分子化合物为基本组成，加入适当助剂，经过一定的加工制成的材料。高分子材料与我们的生活息息相关。我们身边天然的高分子材料，例如棉花、毛、蚕丝和木材中的纤维素等，是我们生活中重要的一部分。随着社会的发展，开始出现了改性天然高分子材料和合成高分子材料，例如塑料、树脂等，极大地改善了我们的生活条件，推动了社会进步。下面我就简单谈一下我对于高分子材料的认识，主要是高分子材料的分类和应用。 高分子材料有很多种类。从来源来分，可以分为天然高分子材料、改性天然高分子材料和合成高分子材料。举例来说，蛋白质、天然橡胶、纤维素等属于天然高分子材料，改性淀粉、硝化纤维等为改性天然高分子材料，有机玻璃、涤纶、尼龙等为合成高分子材料。 如果根据使用性质来分，可以将高分子材料分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。 塑料是用途最广泛的合成高分子。人们常用的塑料是以合成树脂为基础，再加入塑料辅助剂（如填料、增韧剂、稳定剂、交联剂等）制得的。通常，按塑料的受热行为和是否具备反复成型加工性，可以将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料受热时熔融，可进行各种成型加工，冷却时硬化。再受热，又可熔融、加工，即具有多次重复加工性。如，PE,PET等。热固性塑料受热熔化成型的同时发生交联固化反应，形成立体网状结构，再受热不熔融，在溶剂中也不溶解，当温度超过分解温度时将被分解破坏，即不具备重复加工性。如果按照用途来分，可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料一般指产量大、用途广、成型性好、价格便宜、力学性能一般，主要作为非结构材料使用的塑料，如PE、PP、PVC、PS等。工程塑料具有较高的力学性能，能够经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，并且在此条件下能够长时间使用，且可作为结构材料。如PC、PPO、PPS等。特种塑料一般指具有特种功能，可用于航空航天等特殊应用领域的塑料，如氟塑料、有机硅等。 早期的橡胶是取自橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的材料，是一种高弹性的高分子化合物。橡胶按照来源可以分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶是由人工合成方法而制得的，采用不同的原料（单体）可以合成出不同种类的橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。通用合成橡胶是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种，如丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶等，主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。
浅谈人造血液与人造血管 王月悦化科院环科系08080402 摘要：简单介绍了人造血液与人造血管出现的必然性以及国、内外人造血液与人造血管的发展及研究现状。综述了它们的应用，指明了其发展的方向 关键词：人造血液、人造血管、必然性、现状、氟碳化合物 人工血液(Artificial blood)是指一类具有载氧能力的人造制剂,它能代替血液在组织中进行氧气和二氧化碳的交换[1]。 现实生活中，与血管有关的疾病往往是危及人生命的。比如,下肾主动脉、髂动脉以及下行的胸主动脉瘤的膨胀会导致血管扩张;动脉粥样硬化会导致动脉变窄甚至闭塞;颈动脉粥样硬化会导致中风;冠状动脉粥样硬化会导致心脏病,当血管由于动脉硬化老化或破损等原因而不能正常工作时,需进行血管移植。因此我们引入了人造血管的概念,人造血管在血管移植方面发挥着重要的作用[3]。 （一）人造血液与人造血管出现的必然性 众所周知,如果人体失血超过30%,必须进行输血抢救，但是,在早期的临床上输血往往失败。这又是什么原因呢？1 9 00年,奥地利33岁的生物学家兰特斯坦纳将同一个人的红细胞分别注入几个人的血清中,结果有的血清中发生了凝集反应,有的却没有反应。由此发现人血存在着3种基本组合,即A、B、O三种血型。以后进一步发现,人类的血型为A、B、O、A B四型,并发现一些亚型。血型的发现,奠定了血液分类学的基础,也揭开了输血之所以会失败的奥秘。从此临床上严格规定输血前必须进行血型鉴定。但是,由于血型的限制,血源的匾乏,以及输血前准备工作的繁琐,使科学家们对血液的研究转向研制人造血液。 （二）人造血液与人造血管的发展 人造血液的发展应该从本世纪30年代说起，那时候的生物学家将重点放在研究血红蛋白的结构上。但是,限于当时的条件,他们只能从人血中提出红细胞,进行脱氧、冷冻和干燥,制成血红素粉保存起来。到用时.用生理盐水配成血红素液,作为血液代用品。然而,这并非是人造血,实际上是人血的提取物。1 9 6 6年,美国医学博士克拉克在实验室里研究氟碳化合物溶液。一次一只老鼠意外地掉进了此溶液中。过了很久,克拉克才察觉这个不速之客,并将其捞出。结果.本应淹死的老鼠却抖抖身子一溜烟地逃之夭夭了。这是什么缘故呢?于是克拉克有意将一只白鼠浸入氟碳溶液中,经浸几小日寸后，捞上来的舀鼠仍安然无恙。克拉克进一步研究证明,氟碳溶液具有很强的含氧能力,其含氧量比水大10倍,是血液的2倍多。克拉克立即意识到它可能是人造血液的理想材料。这个发现开创了人造血液的研究方向。1968年,美国哈佛大学教授盖耶从一只经麻醉的老鼠身上抽去了90%的血液,代之以一种全氟碳乳液,然后将其放入密闭的玻璃罩内,再向罩内加注氧气,10分钟后,麻醉的老鼠不仅苏醒,而且存活了8个小时。这个试验是鼓舞人心的,但氟碳化合物在微细血管里会凝集成簇,产生血疲,堵塞血管,因而仍不具实用价值。1978年2月旧本医生内藤良一用全氟蔡烷和全氟三丙胺的混合物做原料,再经表面活性剂乳化,制得一种牛奶状的白色悬浮液。经动物试验后,又给自己身上
2011年第7期广东化工 第38卷总第219期https://www.doczj.com/doc/5c12865662.html, · 293 · 聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料 柴晓燕，朱才镇，刘剑洪 (深圳大学化学与化工学院，广东深圳 518060) [摘要]聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为一种高比强度和高比模量的增强型与功能型高性能纤维材料，在航空航天、国防军工及文体用品等方面都有广泛的应用。文章主要介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备、结构与性能及其在复合材料中的应用。 [关键词]碳纤维；增强；复合材料 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)07-0293-03 PAN-based Carbon Fibers And Reinforce Composite Materials Chai Xiaoyan, Zhu Caizhen, Liu Jianhong (College of Chemistry and Chemical Engineering, ShenZhen University, Shenzhen 518060, China) Abstract: Polyacrylonitrile carbon fibers were widely used in many fields, such as aerospace, strategical missile, sports and leisure industries, because of which are the most crucial and imperative part of the reinforce of the composition. The paper mainly introduces the production, structure and property of PAN-based carbon fiber, and the applications in the composite materials. Keywords: carbon fibers；reinforce；composite material 碳纤维是由有机纤维经过一系列的热处理转化而成的含碳量在90 %以上的脆性材料，是一种纤维状的碳材料。作为一种新型材料，碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小等一系列的优异性能,结构独特，集众多优异性能于一身，它既可以作为结构材料的增强基承载负荷，又可作为功能材料[1]。由于碳纤维的强度比钢大,相对密度比铝还轻，并且具有上述电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要作用。随着碳纤维产量的提高，碳纤维市场的扩大，价格不断降低，民用应用领域不断扩大。目前碳纤维已经渗透到高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零件、石油、化工等多个领域，被誉为21世纪最有生命力的新型材料[2]。 碳纤维起源于19世纪60年代，而工业化则起步于20世纪50~60年代，是应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求而发展起来的。l9世纪末，爱迪生首先用碳丝制作了白炽灯的灯丝，1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈(PAN)纤维制造碳纤维的新方法，这一工艺很快受到重视，并实现了通用型PAN基碳纤维的工业化生产。而英国在此基础上开发了高性能的PAN基碳纤维的生产技术，处于了领先地位。20世纪70年代后，由于美国航天工业的高速发展，极大地促进了聚丙烯腈基碳纤维的发展[2]。 目前工业生产中主要采用聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维和粘胶纤维为原丝来生产碳纤维[3]。其中粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品力学及高温性能优异，具有良好的结构和功能特性，因而发展较快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构及功能复合材料，在航天,航空、兵器、船舶等国防领域具有不可替代的作用。 1 PAN基碳纤维 1.1 PAN基碳纤维的制备工艺 PAN基碳纤维的制备包括PAN原丝的纺丝、预氧化和碳化三大工艺过程。优质的PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要条件。原丝纺丝工艺有湿法、干法、干湿法和熔融法等[3-5]，其中干湿法和熔融法是新的发展趋势，而湿法工艺则相对较为成熟。湿法成形的纤维纤度变化小、残留溶剂少，而且容易控制原丝质量，因而湿法纺丝仍是目前广泛应用的纺丝工艺。PAN基碳纤维的制备工艺流程如图1所示。 PAN原丝的预氧化，又称热稳定化，一般在180~300 ℃的空气气氛中进行。因为当温度低于180 ℃时反应速度很慢，耗时太长，生产效率过低；然而，当温度高于300 ℃时将发生剧烈的集中放热反应，导致纤维熔融断丝。在预氧化过程中要对纤维施加适当牵伸以抑制收缩、维持大分子链对纤维轴向的取向。预氧化的目的是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在碳化高温下不熔不燃，继续保持纤维形态[7-9]。预氧化方法包括恒温预氧化、连续升温预氧化和梯度升温预氧化。其中，前两种预氧化方法效率较低，目前主要用于实验室研究，而梯度升温预氧化则是当前工业化生产所普遍采用的。预氧化温度及其分布梯度、预氧化时间、张力牵伸等是影响预氧化过程的主要工艺参数。恰当的预氧化工艺可以在较短的时间内使纤维得到稳定化，为后期碳化提供均质的预氧丝；而不恰当的预氧化工艺则会造成原丝热稳定化的过度或不足，在高温碳化过程中纤维可能发生熔断或形成较多结构缺陷，严重影响最终碳纤维的性能。预氧化过程在整个碳纤维制备流程中耗时最长，预氧化时间一般为60~120 min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化时间则以秒计算。可见，预氧化过程是决定碳纤维生产效率的主要环节。 碳化过程一般包括低温碳化和高温碳化两个阶段，低温碳化的温度一般为300~1000 ℃，高温碳化的温度为1100~1600 ℃。碳化时需要采用高纯度氮气作为保护气体。在碳化过程中，较小的梯形结构单元进一步进行缩聚，且伴随热解，向乱层石墨结构转化的同时，释放出许多小分子副产物。非碳元素O、N、H 逐步被脱除，C元素逐步富集，最终生成含碳量在90 %以上的碳纤维。 图1 PAN基碳纤维的制备工艺流程[6] Fig.1 The production of PAN-based carbon fiber 1.2 聚丙烯腈基碳纤维的结构 丙烯腈(AN)在一定的聚合条件下双键被打开，生成大分子链，同时放出反应热。氰基中的氮原子电负性大于碳原子，使氰基中的碳原子与氮原子间的电子云偏向氮原子，氮原子呈负电性，碳原子呈正电性。与氰基相连的主链上的碳原子与氰基中碳原子之间的电子云由于诱导作用的影响，偏向氰基碳原子，所以形成了很强的偶极矩。同一条聚丙烯腈大分子链上的氰基极性相同，互相排斥，呈现出僵硬的刚性，按照一定角度排列形成了对称的圆棒体，如图2所示。圆棒体的直径约为0.6 nm，长度约为10~100 nm。几根至几十根圆棒平行排列形成了有序的结晶区，而杂乱堆砌的大分子链则形成非晶区，即无定形区如图3所示。 聚丙烯腈原丝的预氧化过程从无定形区开始，逐渐发展到结晶区。纤维在预氧化初期是半融状态，丝束结构消失后呈块状的堆垛结构；预氧化中期，块状堆垛结构由束状向片状发散排列结构转变，并且在预氧化的后期趋于稳定。碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、 [收稿日期] 2011-06-10 [作者简介] 柴晓燕(1985-)，女，浙江人，硕士，助教，主要研究方向为碳纤维的结构与性能。
63 C H I N A V E N T U R E C A P I T A L TECHNOLOGY APPLICATION |科技技术应用 一、概述 气密性是指某一零件对液体或气体的泄漏程度，这一指标涉及很多零部件的制造质量，装配质量。例如：在变速箱中的机油；咖啡壶中的水；燃气炉；蓄电池。 气密性的标准值应由使用要求而定，如核工业和航天领域对气密性要求就比一般工业高，而检测方法也取决于检测值的大小。 二、应用领域1.汽车行业汽车整车，摩托车，发动机，大灯，减震器，继动阀，喇叭，变速箱，进排气门，化油器，水路、油路系统，气缸体，气缸盖，助力转向系统，电磁阀，蓄电池，空气过滤器，滤清器，喷油嘴，各种密封，制动总泵，水泵，液压泵，预热器，散热器，燃油管路，压力调节阀，阀座，空气悬挂系统，恒温器… 2.医疗行业 导管，透析设备，流量阀，毛细吸管，塑料阀，注射器，人造瓣膜… 3.各类容器 喷雾器，喷嘴，香水瓶，苏打罐，塑料瓶，烧瓶，食用袋，打火机… 4.家用器具 空调器，电冰箱，电池，燃气热水器，电水壶，卫浴器具，咖啡壶，高压锅，各类加热件，煤气灶，烫斗，烤箱，洗衣机… 三、气密性检测的方法 通常作气密性时用的方法是加压或抽真空，而作气密性检测的方法确实很多，从非常简单的水箱法到非常复杂的气体探测法，简单简介如下： 1.泡沫法：用肥皂液涂抹零件表面，再加气压，观察气泡。 2.空气/水法：对零件封堵，充入一定压力的空气，待气体稳定后测定压降，根据压降值判断密封性，这是最适合在工业生产中应用的方法，其可在线检测。浅谈气密性检测技术及影响检测的因素 南宁八菱科技股份有限公司 吴礼平 3.气体探测法：对一些不能用空气/空气法的领域（如泄漏量很小，大体积，需要知道泄漏点），气体探测法，然而因气体成本高，测试慢等因素，限制了这一方法的大规模使用。常用的气体探测法有两种： （1） 将被测件置于可探测的境地，抽真空，由进入探测器的气体量来判别被测件的泄漏量。 （2） 将被测件内部充入探测气体，然后在外部探测泄漏点及评估大小。此方式被探测极限取决于气体和探测器。很多气体都可选用，常用的是卤元素气体，而最灵敏的是氟利昂。 以气体压力变化为基本原理的测量越来越广泛的应用于工业生产中。由于其应用简单，自动化程度高，相对成本低，速度快，精度要，因而极适合装备在车间和自动生产线上。 气密性检测是一个较复杂的问题，需要丰富的经验，其难点主要是被测件自身的热力性和可靠的封堵。 四、气密性检测方法的选择 气密性检测方法很多，针对每种方法的优缺点不同，检测前应根据检漏要求、检漏环境、检测成本等选择合适的检漏方法。 选择气密性检测方法要考虑如下几个方面因素：1.确定实际的测试压力 测试压力通常选择零部件实际工作状态下的压力，也可根据实际情况调低；如是否有足够压力的气源、安全性、密封夹具设计的考虑及结合产品实际测试的弹性变形及承压情况等特点，选择相适宜的测试压力，该参数也可从验证产品在不同的检测压力下，选取最稳定的测试压力。 2.确定泄漏率 泄漏率可以是通过测量漏孔压力下降量。或者是单位时间的介质通过的容积。对于一定体积来讲，制定多大的泄漏率合适，是由你想防止什么样的物质（气体/液体）对该工件漏出/入来决定的。 3.确认泄漏检测的意图 摘 要：随着科学技术的不断进步，气密性检测技术得到迅速的发展，而且也得到了较为广泛的应用，如被应用于汽车工业中。文章简述了气密性检测常用技术的基本方法，阐述了气密性检测方法的选择、影响气密性测试的因素，并论述了气密性检测技术的发展趋势。 关键词：气密性测试；检测方法；检测影响因素 成纤维.2006,35(8):17-19. [7]朱清,张光先,张凤秀等.腈纶织物接枝大豆蛋白改性研究[J].纺织科技进展.2010,(2):20-24. [8]杜孟芳,闵思佳,张海萍等.用丝素蛋白涂覆涤纶织物的研究[J].蚕业科学.2007,33(3):427-432. [9]高素华,张光先,琚红梅等.涤纶表面接枝蛋清蛋白改性及其服用性能研究[J] .丝绸.2010(10):6-9. [10]张吉升.涤纶织物的丝胶改性和染色工艺研究[J].合成纤维.2010,39(7):44-47. [11]谢瑞娟,邢铁玲,谢丽莹.丝胶蛋白用于涤纶织物改性的研究[J].丝绸.2002,(11):14-16. [12]潘福奎,潘延松,谢莉青.利用丝胶改善涤纶织物服用性能研究[J].青岛大学学报.2005,20(1):61-63. [13]丁志文.一种胶原蛋白-聚丙烯腈复合纤维及其制备方法[P].中国专利:ZL03156292.2,2005-03-09. [14]吴炜誉,王雪娟,王玲等.高含量胶原蛋白/PVA复合纤维的结构与性能[J].合成纤维工业.2009,32(3):1-4. [15]高波,李守群,徐建军,等.胶原蛋白/聚乙烯醇复合维的初步探索 [J].合成纤维工业2005,28(3):10-12. [16]唐屹.不同连接剂复合的胶原蛋白/聚乙烯醇纤维结构与性能研究[D].四川大学:高分子科学与工程学院,2007. [17]陈武勇,林云周,叶光斗等.金属离子改性的胶原蛋白-聚乙烯醇复合纤维及其制备方法[P].中国专利:CN1696362,2005.5.12. [18]李闻欣,程凤侠,俞从正,等.一种改性胶原蛋白复鞣剂的研制及应用[J].皮革化工,2001,19(1):9-12. [19]Sionkowaska A. Molecular interaction in collagen an-dchitosan blends[J]. Biomaterials, 25(2004): 795-801. [20]华坚,王坤余,顾迎春,等.胶原蛋白-壳聚糖共混溶液的黏度与可纺性能[J].皮革科学与工程,2004,14(2):12. [21]但卫华,周文常,曾睿,等.胶原-壳聚糖共混纺丝液的制备[J].中国皮革,2006,35(7):35-38. [22] 余家会,杜予民,郑化.壳聚糖——明胶共混膜[J].武汉大学学报(自然科学版),1999(45):440-444.
项目名称： 聚丙烯腈基碳纤维原丝制备新技术 来源： 第十二届“挑战杯”作品 小类： 能源化工 大类： 科技发明制作A类 简介： 碳纤维是一种高科技纤维，具有重要战略意义。本课题依托我校与吉林化纤公司联合自主研发 的三元无机水相悬浮聚合，湿法二步法制备聚丙烯腈基碳纤维原丝新技术。该技术具有工艺流 程短，成本低，质量稳定，产量高，适合大规模工业生产等特点，是国内首家独创。吉林化纤 公司采用该技术正进行万吨级原丝生产线的建设，建成后将成为国内最大PAN基碳纤维原丝生 产企业，并可实现年增销售收入12亿元，年增利润7亿元。 详细介绍： 碳纤维产品以其优异的特殊性能已成为经济发展和国防事业的重要战略物资，美、日等发达国 家极为重视并大力发展，但由于我国碳纤维原丝质量不过关一直影响碳纤维产品的质量，美、 日等国家又严格限制对我国出口碳纤维，从而极大制约了我国军事及航天事业的发展，同时也 限制了相关民用领域的开发。为打破制约我国碳纤维产业发展的关键技术、关键装备及其相关 配套技术，提高我国碳纤维产业的整体研发、生产技术水平具有重要战略意义。吉林化纤股份 有限公司是当今世界最大腈纶生产企业，具有丰富的腈纶生产经验。2008年3月，公司抽调出 具有丰富经验的专家及技术人员组成20余人的攻关小组，研发碳纤维。攻关组依托企业自身腈 纶生产工艺和技术优势，积极联系相关科研部门和院校，合作研发碳纤维生产技术。并于2009 年1月与我校合作，开展T300级PAN基碳纤维原丝工业化攻关。攻关组整合了实验室成果与 工业化腈纶生产控制技术，集成创新出生产PAN基碳纤维原丝的工业化生产技术。双方科研人 员共同设计并制造了实验室聚合釜，2009年2月研发出PAN基碳纤维原丝用聚合配方，2009 年4月，用自主研发的聚合釜和聚合配方生产出30 kg碳纤维原丝用聚合物，先后在意大利蒙 特公司的实验线和化纤公司现有设备改造的生产线上进行试纺，生产出了第一批碳纤维原丝， 其各项技术指标达到国内碳纤原丝指标水平，尽管存在一定不足，但有了突破性进展。2009年 5月，双方共同设计并制造了年产30吨聚合釜，5月末完成设备安装调试并投入使用，生产出 碳纤维原丝用聚合物，同时对化纤公司已有的纺丝生产线进行改造。经过两个月时间，30 吨/ 年聚合釜和改造后的纺丝线工艺设备都具备了试生产碳纤维原丝条件，09年8月正式生产。在 此基础上，公司又对已有的生产线进行了进一步改造，将生产能力提高到1500吨/年，并于2010 年2月21日正式投产。到目前为止，年产1500吨生产装置已稳定生产出各项指标达到或超过 日本东丽公司T300的水平的碳纤维原丝，且已全部投放市场，产品供不应求。公司生产的1K 丝，目前已应用于中国航天科技集团（43所）、北京玻璃钢研究所（251所）等单位的尖端产 品上。目前，国内碳纤维原丝生产技术均采用一步法，即通过溶液聚合直接纺丝方法生产碳纤 维原丝，但此方法由于反应后期体系粘度过大，造成体系换热困难，因此该反应反应釜不能太 大，到目前为止，采用该方法制备碳纤维原丝的生产厂家最大的反应釜只有一吨。我们生产碳 纤维原丝的方法是建立在吉林化纤原有腈纶生产方法之上，采用无机氧化还原引发、三元水相 悬浮聚合法生产PAN基碳纤维原丝聚合物，湿法、二步法生产碳纤维原丝，与一步法相比，由 于两步法聚合反应在水相中进行，换热容易，聚合釜可以做的很大，其容量可达28吨，大大超 过一步法生产用聚合釜。因此本方法具有产量高、适合大规模生产、产品质量稳定、生产成本 低等特点，是国内首家独创。吉林化纤公司生产的碳纤维原丝经碳化后性能指标可达到或超过
聚丙烯腈基碳纤维简介及其发展概况 摘要：聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维，是一种力学性能优异的新材料，在航空航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。生产碳纤维采用特殊组分且性能优异的专用PAN基纤维即ＰＡＮ原丝。本文简要介绍国内外PAN基碳纤维的发展概况和现状，ＰＡＮ基碳纤维的应用，重点介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、纺丝、制备等技术，以及分析我国碳纤维与世界先进国家之间的差距及存在的问题且提出一些建设性意见。 关键词：聚丙烯腈基碳纤维纺丝国内外发展比较差距 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90％以上，成为最主要的品种。碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，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。PAN基生产工艺简单，产品综合性能好，因而发展很快，产量占到９０％以上，成为最主要的的品种。 一、碳纤维及其发展史 1.1碳纤维的先驱——斯旺和爱迪生 碳纤维的起源可追溯到１９世纪６０年代，１８６０年，英国人约瑟夫·斯旺用碳丝制作灯泡的灯丝早于美国人爱迪生。十九世纪后期他俩各自设计出了白炽灯泡．他是研制碳丝的第一人，同时他的利用挤压纤维素成纤技术为后来合成纤维的问世起到了启迪作用。 爱迪生解决了碳丝应用与白炽灯的灯丝问题，他发明的电灯，这也是碳丝第一次得到了实际应用。１９１０年库里奇发明了拉制钨丝取代了碳丝作为灯丝，从此碳丝的研制工作停止了下来。指导了２０世纪５０年代碳丝的研制又重新出现在现在的材料科学的舞台上，但研究的目的是为了解决战略武器的耐高温和耐烧耐腐蚀材料，今天的碳纤维已经形成了一个举足轻重的新型材料体系，已广泛应用于航空、军事和民用工业领域，而且仍在强劲发展．1.2碳纤维的三大原料路线 黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维，其中以聚丙烯腈基碳纤维应用最为广泛，也是本文将要为大家介绍的。 1.3聚丙烯腈碳纤维的发明者――近藤昭男 近藤昭男从业于大阪工业大学技术实验所，在碳研究室从事于碳素的崩散现象和碳素的崩散碳素胶状粒子的研究。他研究了应运腈纶在一系列热处理过程中物性和结构的变化，即开始研制ＰＡＮ基碳纤维。虽然近藤昭男发明了用ＰＡＮ原丝制造碳纤维的方法，但英国人瓦特在预氧过程中施加张力牵伸，打通了制取高性能碳纤维的工艺流程，从而牵伸贯穿了氧化和碳化的始终，成为研制碳纤维的重要工艺参数。所以近藤昭男发明了用PAN基原丝制造碳纤维的新方法，瓦特打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维新工艺。 1.4从日本东丽公司碳纤维发展历程看PAN基原丝的重要性。 日本东丽公司无论碳纤维的质量还是产量都居世界之首，以该公司研发碳纤维历程给人们一个启迪，即原丝是制取高性能碳纤维的前提，没有质量好的原丝就不可能产出好的碳纤维 东丽公司成立于1926年，1962年开始研制PAN基碳纤维，原丝为民用腈纶，产不出
碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增
聚丙烯腈碳纤维性能表征规范 聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。对于碳纤维材料来说，拉伸力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。由于纤维材料本身的特点，很难对其压缩力学性能进行有效的表征，因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等，也是材料应用的重要指标。电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。对于碳纤维的拉伸力学性能测试，各国都已经基本形成了相应的测试标准系列，这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。对于热物理性能，相关的测试标准较少。 5.5.1 碳纤维性能测试标准 日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准，有关标准见表5.30，其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外，还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。JIS R7601-2006《碳纤维试验方法（修正1）》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下，将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。相比于JIS R7601-1986，JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试，其可操作性和规范性也更强。 表5.30 日本碳纤维测试标准 序号标准号标准名称 1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法 2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法 3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法 4 JIS R7604-1999 碳纤维-上浆剂附着率的试验方法 5 JIS R7605-1999 碳纤维-线密度的试验方法 6 JIS R7606-2000 碳纤维单纤维拉伸性能试验方法 7 JIS R7607-2000 碳纤维单纤维直径及断面面积试验方法 8 JIS R7608-2007 碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法 9 JIS R7609-2007 碳纤维体积电阻率测试方法 10 JIS R7601-2006 碳纤维试验方法（修正1） 日本东丽公司作为世界聚丙烯腈基碳纤维生产能力和水平最高的企业，也有自己的碳纤
第29卷 第1期 2010年 1月环 境 化 学ENV I R ONM E NTAL C HE M ISTRY V o.l 29,N o .1January 2010 2009年5月9日收稿. *江苏省高新技术(BG2007044).**通讯联系人,Te:l 025 ******** 1013, E ma i :l xj k ang64@163 co m 聚苯乙烯电纺纳米纤维对水中苯系物的吸附性能 * 孙 静 马玉琴 康学军** (东南大学公共卫生学院,东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室,南京,210096)摘 要 采用高效液相色谱法研究了静电纺聚苯乙烯纳米纤维对水中苯系物有机污染物的吸附性能,探究 了纳米纤维对苯、对氯苯、硝基苯的吸附容量随浓度和时间的变化规律.通过实验得到静电纺纳米纤维对 苯、对氯苯、硝基苯的平衡吸附容量平均值分别为9 82,5 57和4 4m g g -1,静态吸附4h 后基本达到平 衡.实验结果表明,静电纺聚苯乙烯纳米纤维能够较好地吸附苯类物质,并能多次重复利用,对水中较低 浓度的苯类物质吸附是一种比较合适的吸附材料. 关键词 纳米纤维,苯,吸附. 苯及其衍生物作为重要的化工原料会随着工业废水的排放进入环境而危害人类的健康,近年来其去除方法研究倍受关注[1].由于苯系物特殊的化学结构以及潜在的致癌性,许多种苯系物已被世界各国列入水中优先控制污染物名单,这些污染物主要包括多环芳烃、卤代烃、多氯联苯等.因此,发展安全、可靠、易操作的去除方法逐渐成为研究的热点.在各种技术中,吸附法是主要的特别适于水体中微污染芳香物的去除方法[1]. 研究较多的是碳为基质的吸附材料,其中活性炭纤维表面积大,具有优异的结构和性能特征.纤维素纤维、酚醛树脂纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维为前驱体的活性炭纤维已经大规模工业化生产,但各种纤维在制造过程中需要高温氧化处理,易产生许多不易控制的因素[2].静电纺纳米纤维是近来引起关注的制备纳米材料的新技术,采用静电纺制备高分子纳米纤维,比较容易改变纤维的组成和形貌,可以方便地根据目标物理化性质设计制成与之有高效吸附性的新材料.纳米纤维具有比表面积大、吸附快等优点,而且使用方便,容易再生 [3].越来越多的研究者将高分子纳米纤维用于分离、萃取、测定等方面[4 6]. 本文用静电纺丝法制备聚苯乙烯纳米纤维,并就其对苯、硝基苯、对氯苯的吸附性能进行了初步研究,为其广泛应用奠定基础. 1 实验部分 1 1 色谱条件 LC 20AD 高效液相色谱仪,SPD M 20A 紫外检测器(岛津,日本);色谱柱:岛津VP ODS C 18(150mm 4 6mm ,5 m );为提高化合物的分离柱效及峰形,流动相中加入磷酸二氢钾,流动相:甲醇 25mmo l l -1磷酸二氢钾=65 35,用磷酸调节p H 值4 5,用0 45 m 微孔滤膜过滤,超声脱气; 流速:1 0m l m i n -1;波长:208nm ;进样量:50 ;l 温度:20 . 1 2 标准溶液的配制 苯、硝基苯、对氯苯甲醇标准储备液:分别精密称取苯、硝基苯、对氯苯适量,用甲醇溶解配制0 1m g m l -1的溶液,贮藏于4 冰箱. 样品液:临用时精密量取各标准储备液加入水稀释成所需浓度(使溶液中甲醇比例 5%,V /V ).1 3 聚苯乙烯纳米纤维的制备与表征 静电纺丝溶液的配制:取聚苯乙烯(分子量1 8 105)加入二甲基甲酰胺和四氢呋喃(4 6)的混合 溶液,在室温下缓慢搅拌,配制10%(W /V )聚苯乙烯溶液.
碳纤维用聚丙烯腈基原丝的研究进展 碳纤维根据原丝类型可分为：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维由于其优越的性能，受到最广泛的应用。聚丙烯腈（PAN）原丝质量决定着碳纤维最终性能，目前是制约我国碳纤维工业发展的重要因素。本文详细介绍了国内外PAN原丝的发展现状，对目前国内外纺丝工艺所用纺丝方法和溶剂等发展状况进行了系统的阐述。 标签：碳纤维；聚丙烯腈基原丝；研究进展 1 前言 PAN碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、热膨胀系数小等优异性能，可与树脂、金属、陶瓷、碳复合而成增强复合材料，被广泛应用于航天航空工业领域和民用领域，如卫星、运载火箭、飞机等尖端领域，及体育器材、建筑材料、医疗器械、运输车辆、机械工业等。高性能碳纤维的生产需要高性能的原丝，因此原丝的生产技术是碳纤维生产的关键技术。要进一步提高碳纤维的性能，必须进一步提高原丝的质量。 2 国内外PAN原丝的发展状况 2.1 PAN纺丝液的制备 目前，国内外普遍采用DMSO法丙烯腈间歇溶液聚合，这种方式虽然获得的纺丝液质量较好，但是其聚合的主反应过程并不稳定，放热集中，黏度变化大，同时，间歇聚合采用分批次进、出料，而不同批次的物料使得聚合液的黏度和分子量存在差异，影响聚合液的均一性和稳定性。溶液聚合投料的浓度较低，需要大量溶剂，并且纺丝效率低，溶剂回收过程能耗大，成本高。而本体聚合不需要溶剂，大大提高了生产效率，降低生产成本，且聚合工艺过程简单、设备简单，虽然存在反应体系黏度大、聚合反应热不易导出，影响PAN分子量分布的缺点，但在未来可能会成为PAN聚合的发展方向。 2.2 PAN原丝的制备及预氧化 目前，国内外生产用于碳纤维的PAN原丝主要采用湿法纺丝工艺，并且大多公司采用有机溶剂，以DMSO为溶剂生产的原丝产量最大。比如：日本东丽采用DMSO，日本三菱和中国台湾台塑采用二甲基甲酰胺。也有不少公司使用无机溶剂，比如：日本杜邦公司采用ZnCl2水溶液，吉林化工公司采用HNO3。湿法纺丝速度低、生产成本高，因此提高纺丝速度、降低生产成本成为了必然的趋势。 3 PAN原丝的纺丝工艺
聚丙烯腈碳纤维的工艺流程 1.概述 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，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。PAN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90％以上，成为最主要的品种。 2.制备 聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。 生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l 600℃)，即碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。 由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。 3.性能 碳纤维有如下的优良特性：①比重轻、密度小；②超高强力与模量；③纤维细而柔软； ④耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异；⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好；⑧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； ⑨生物相容性好，生理适应性强。