当前位置：文档之家 › 《聚丙烯腈碳纤维》PPT课件

《聚丙烯腈碳纤维》PPT课件

  • 格式：ppt
  • 大小：627.06 KB
  • 文档页数：69

下载文档原格式

  / 69

合集下载

聚丙烯腈合成碳纤维

聚丙烯腈合成碳纤维

剂通过洗涤和进一步拉 伸以减小纤维的直径和 增加纤维中的分子或取 向来去除纤维中的残余 物。
稳定过程中的反应
环化反应是稳定化过程中的关键反应在这一过程中，碳氮三键转化为碳 氮双键，形成双键后形成环状结构。
在由PAN前驱体生产碳纤维的过程中，环化反应的进展，会影响到其他 热稳定过程中涉及的反应机制
稳定过程中的反应
碳纤维生产的热稳定过程涉及14个参数，包括（i）烘箱温度，（ii） 再循环风速，（iii）接触网，（i v）排气吸力，（v）再循环期间的空 气输入量，（vi）拖车计数，（vii）每个拖车中的灯丝数量，（viii） 能量释放纤维，（IX）在缝隙处的间隙，（x）纤维中的水分含量， （XI）细丝直径，（XII）停留时间，（XIII）在烤箱端部的密封，和 （XIV）炉内烟道气体的浓度。
2
聚丙烯腈 的应用
聚丙烯腈在水净化、空气过滤、防护服、超级电容 器、碳纤维复合材料等领域有着广泛的应用。
水净化
重金属、细菌和化学物质等对水体的污染对环境有着严重的威胁。 目前，聚丙烯腈基膜具有着良好的耐热性和耐化学性，以及较好 的机械性能，学者们对其在水净化中的应用越来越感兴趣。 通过各种化学物质（如：二乙烯三胺、聚乙二胺四乙酸、羟胺、 羟胺盐酸盐）对聚丙烯腈纳米纤维膜进行功能化处理，可以观察 到其在去除金属离子、染料和细菌等方面的优异性能。
电纺纤维在280℃的空气中热稳定1小时，然后在800℃的氩气气氛中进一步 碳化。加入氯化锌有助于在较低温度下获得芳香碳结构，在热稳定过程中以 水的形式消除氢。此外，它还通过刻蚀碳原子进一步催化碳化过程中微孔的 形成
3
聚丙烯腈合成碳 纤维
湿法纺丝工艺
制备的聚丙烯腈溶液 在非溶剂和溶剂的混凝剂 溶液中转化为纤维。聚丙 烯腈溶液最初被过滤，并 进入浸入含有溶剂（如硫 氰酸钠水溶液）的浴中的 喷丝板。使得纤维沉淀， 然后当它从喷丝孔出来时 凝固。在凝固浴中的停留 时间通常保持为10秒。在 随后的步骤中，过量的溶
聚丙烯纤维(共19张PPT)

聚丙烯纤维(共19张PPT)


聚丙烯的生产工艺
聚丙烯的生产方法
气相聚合
淤浆法
液相聚合法
引 发 剂 配 制
引
淤
发
浆
剂
聚
的
合
洗
除
干 燥
聚丙烯的生产工艺
循环丙烯
引发剂 溶剂
溶剂
3
1
7
4
溶剂循环 5
2
6
10
醇 15
11
16
8
13
不挥发物
废引发剂
水
9
17
19
12 14
18
20 21 22
成纤聚丙烯的性质及质量要求
• 分子量18~36万；分子量分布系数小于6。 工艺流程：混料-纺丝-拉伸-热定型
常用聚丙烯的熔融指数、加工方法及 产品用途
一 常规熔体纺丝
• 纺丝温度高于PP熔点100~130 ℃。 • 长丝：卷绕丝收集在筒管上，经热板或热辊在90~130 ℃拉
伸4~8倍，拉伸后热定型。 • 短纤：采用500或上千孔的喷丝板。初生纤维集束成
60~110ktex的丝束，在水浴或蒸汽箱中于100~140 ℃进行二 级拉伸，拉伸倍数为3~5倍，然后卷曲和松弛热定型，最
第三节 聚丙烯纤维的性能和用途 常用聚丙烯的熔融指数、加工方法及产品用途
• 熔点：164~176 ℃ 改善尺寸稳定性，改善纤维的卷曲度和加拈的稳定性，并使纤维的结晶度由51%提高到61%左右。
拉伸温度 一般控制在120~130℃左右。 聚丙烯结晶度：聚丙烯初生纤维(33~40%)； 聚丙烯结晶度：聚丙烯初生纤维(33~40%)；
555~1670 dtex
扁丝。 1 纺丝温度 纺丝区温度高于PP熔点100~130℃；
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料PPT课件

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料PPT课件

2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推动下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参与下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
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
聚丙烯腈纤维介绍ppt课件

聚丙烯腈纤维介绍ppt课件


12
精选ppt
二、丙烯腈的聚合
第三单体的目的是引入一定数量的亲染料基团，以 增加纤维对染料的亲和力，可制得色谱齐全，颜色鲜 艳，染色牢度好的纤维，并使纤维不会因热处理等高 温过程而发黄。
第三单体为离子型，分两大类：一类是对阳离子染 料有亲和力，含有羧基或磺酸基团的单体，如丙烯磺 酸钠、甲基丙烯磺酸钠等；另一类是对酸性染料有亲 和力，含有氨基，酰胺基，吡啶基等的单体。此外， 为使聚合产物具有合适的分子量，在丙烯腈聚合过程 中还需加入分子量调节剂（如异丙醇）、终止剂(如乙 二胺四乙酸四钠盐)和浅色剂(如二氧化硫脲)等。
4
精选ppt
聚丙烯腈纤维具有羊毛的特性（有合成羊毛之称）， 蓬松性和保暖性好，手感柔软、防霉，防蛀。并有非 常优越的耐光性和耐辐射性。
近年来，为了适应某些特殊用途的需要，通过化学和 物理改性方法，制成具有特殊性能或功能的改性聚丙 烯腈纤维，如具有永久性立体卷曲的复合纤维和具有 多孔结构的高吸水纤维；还有阻燃、抗静电、高收缩、 染色性和耐热性良好的纤维。中空聚丙烯腈纤维可作 为血液净化器的材料。聚丙烯腈纤维还可作为生产碳 纤维的原丝，可分别制成耐高温的预顶氧化纤维、耐 1000℃的碳纤维、以及耐3000℃的石墨纤维。
由于共聚组分的加入两个Tg逐渐相互靠近，以至完全
相同，三元共聚的PAN的Tg约为75～100℃。由于水的
增塑作用，次级溶胀PAN的Tg进一步下降到65～80℃；
而初级溶胀PAN的Tg则在4205 ～60℃范围内。
精选ppt
三、聚丙烯腈的结构和性质
3 聚丙烯腈的化学性质：由于含有氰基，在碱或酸对 聚丙烯腈作用时，氰基会转变成酰胺基。温度越高， 反应越剧烈。生成的酰胺又能进一步被水解（反应式 见P126）。
第5章 聚丙烯腈纤维的生产及质量控制PPT课件

第5章 聚丙烯腈纤维的生产及质量控制PPT课件

→ 偶氮引发剂→ 聚合物色泽加深→纤维白度↓
工业：引发剂用量为总单体重量的0.2%~0.8%。
总单体浓度
总单体浓度↑→聚合反应速度↑、聚合物平均分子量↑
聚合温度
温度↑→能量↑→引发剂分解↑→活化中心↑→→聚合反应速度↑ →反应转化率↑ →碰撞↑→大分子链重合、歧化、转移终止↑→分子量↓
工业：反应温度76~82℃
1
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
总体概述
点击此处输入 相关文本内容
点击此处输入 相关文本内容
2第一节 概述来自腈纶生产工艺路线聚合（原液制备）方法 纺丝方法 水相沉淀聚合（二步法） 干纺
湿纺
溶液聚合（一步法）
湿纺
溶剂 DMF 丙酮 NaSCN HNO3 DMF
介质pH值
pH值5±0.3，才能保证黏度变化少，聚合转化率变化也不大；
单体中所含有的有机杂质
有机杂质（氢氰酸、丙烯醛、乙醛、丙酮、乙腈和噁唑、丙腈）→反应速度↓
硫氰酸钠中含有的杂质
甲酸钠（SF） →聚合浆液黏度↓ ↓ →纺丝困难
Na2S2O3 →纤维泛黄
8
各种无机盐杂质
——Fe3+或Fe2+： Fe3+→→对反应有阻聚作用 → 与SCN→反应生成红色Fe（SCN）3或深红色络合物
第五章 聚丙烯腈纤维生产及质量控制
腈纶：聚丙烯腈纤维 、PAN纤维或PAC纤维 丙烯腈和第二、第三单体的共聚物（comonomer）纺制的合成纤维； 常规聚丙烯腈纤维中AN含量在85%以上； 改性聚丙烯腈纤维（modacrylic fiber）中 AN含量为35%～85% ；
腈纶短纤维
腈纶毛条
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料

生产工艺改进
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
聚丙烯腈纤维(共62张PPT)

聚丙烯腈纤维(共62张PPT)

按工艺路线分为：先水洗后拉伸或先拉伸后水洗 两种类型。后加工路线较多，归纳起来，可分 为5种。
湿法纺丝及后处理工艺流程图
先拉伸后水洗、先水洗后拉伸。 如初生纤维不经预热处理直接蒸汽或沸水拉伸，纤维物理机械性能较差；
在高倍拉伸前，应对冻胶体的初生纤维进行预热浴处理以降低其溶胀度，加强纤维结构单 元之间的作用力，为进一步的高倍拉伸创造条件。
拉伸
喷丝头拉伸率 －58%～－65％。 刚凝固的纤维是高度
溶胀的冻胶体，一般采取喷丝头负拉伸。
喷丝头拉伸率
VLV010% 0 a V0
V0，VL分别为纺丝原液挤出速度和初生纤
维在第一导辊上的卷取速度 。
熔体纺丝喷丝头拉伸率 PET〔POY〕130～
140； PP：60。
先预拉伸，后高倍拉伸。预拉伸2倍左右，总拉伸8～ 11倍。
反响热容易控制，聚合产物的相对分子质量分布 较窄。
工艺流程
AN MA
NaOH 无离子水
水溶液→聚合→终止反响→真空过滤→烘干和粉碎→聚合物粉末
HNO3
引发剂 水相沉淀聚合采用的是水溶性氧化－复原引
发剂。 在碱性条件下十分稳定，不会引
发聚合反响，其水溶液的PH值在8～9之间，不会 发生分解。只有在pH<4.5时才能分解为自由基， 引发聚合反响最正确pH值是1.9～2.2。聚合时一般 参加HNO3或H2SO4使体系成为强酸性。
⑵纺丝成形
湿法纺丝成形机理 凝固介质：PAN可以采用不同溶剂制备纺
丝原液。湿法纺丝时，一般都用溶剂的水溶液 作为凝固浴。
双扩散
纺丝液由喷丝头喷出进入凝固浴后，原液细
流的外表首先与凝固浴接触，很快凝固成一层膜，凝固
浴中的凝固剂〔水〕不断通过这一皮层扩散到细流内部
PAN 聚丙烯腈纤维PPT课件

PAN 聚丙烯腈纤维PPT课件

个稳定发展阶段 产量将会继续缓慢增长。预计到2005年
产量将达3000kt，2010年为3260kt，2015 年为3600kt，至2050年，世界腈纶产量将 达6000kt。
7
聚丙烯腈纤维-概述
（2）发展重心向发展中国家和地区转移 • 世界腈纶生产中心由发达国家向发展中
国家和地区转移 • 预计中国、印度、土耳其、伊朗等国家
国家或 中国 地区 2000年 353
2005年 669
2010年 827
亚洲腈纶产量预测 （单位：kt）
日本 韩国 中国台 印度 泰国 湾
382 121
106 96
55
巴基斯 坦
16
375 120 142 116 77
40
375 120 162 121 97
40
6
聚丙烯腈纤维-概述
• 世界腈纶工业发展趋势 （1）产量 世界腈纶的生产已走出了低谷并步入一
第 7章 聚丙烯腈
1
目录
➢聚丙烯腈纤维 ➢概述 ➢聚丙烯腈的结构与性质 ➢原料的合成 ➢纺丝 ➢后加工
2
聚丙烯腈纤维-概述
聚丙烯腈(PAN)纤维通常指含丙烯腈在85％以上的 丙烯腈共聚物或均聚物纤维，国内简称腈纶。
丙烯腈含量在85％以下的丙烯腈共聚物纤维则称 为改性聚丙烯腈纤维。
1929年德国的巴斯夫公司(BASF)成功地合成出聚 丙烯腈，
聚丙烯腈纤维-概述
（3）差别化品种比例增加，应用领域拓展
新品种增加，其中高收缩、细旦、有色腈纶和 用于建筑业的高强度腈纶等已被市场普遍接受。
阻燃与异形截面纤维在人造毛皮、毛毯中应用 前景诱人。
凝胶着色腈纶增大，凝胶着色生产有色纤维的 技术可以减少对环境的污染，尤其是对水资源 贫泛地区的纺织染整工业有实际意义，世界总 有色纤维比例约占10％。
公路水泥混凝土纤维材料-聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维幻灯片PPT

公路水泥混凝土纤维材料-聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维幻灯片PPT


另外，深圳市海川实业股份的聚合物纤 维截面形式为花生型，如图1。
图 1 聚丙烯腈纤维
由于纤维截面形状对混凝土力学性能影响比 较明显，因此本标准把聚合物纤维的截面形式纳 入产品的命名中。
同时，在聚合物纤维的命名中参考了FORTA的命名方式。
美国FORTA工程纤维产品的命名表达式如下： 品牌—用途—材料—功能—形状—长度—功能参数
另外，按聚合物纤维产品的功能分，聚合物纤 维可分为多功能性纤维〔Mu〕、加强型纤维〔Re〕、 防裂型纤维(PC)和辅助型纤维(Au)四种类型。
多功能型纤维，其不仅具有较高的加强作用， 还具有良好的防裂、抗折、抗劈裂、抗冻融、抗疲劳 等多种功能。加强型纤维对基体起加强作用；防裂型 纤维用于抵御基体混凝土自身的裂变应力；辅助型纤 维只作为基体混凝土的一种辅料，没有防裂和增强能 力。
5.3产品规格
从调查到的各聚丙烯纤维产品的企业标 准来看，各企业标准对规格的划分都是以长度 为指标进展划分的。厂家不同其规格有很大的 区别。考虑到各厂家由于生产设备和工艺上的 区别，在产品规格上也有很大的区别，而在目 前对聚丙烯纤维的长度对混凝土性能的影响还 未研究清楚。纤维长度的规格长度目前尚未确 定最正确长度。
公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤
维
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
一、背景
目前合成纤维水泥混凝土已在我国 土木工程行业广泛使用。在水泥混凝土 中掺入聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维制成 纤维混凝土，可以改善水泥混凝土物理 力学性能。
聚丙烯腈碳纤维

聚丙烯腈碳纤维

04
未来，聚丙烯腈碳纤维在新能源、智能制造等领域的应用将得到进一 步拓展，为新兴产业的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
聚丙烯腈碳纤维对酸、碱等化学物质具有较 强的耐腐蚀性。
抗氧化性
在高温和有氧环境中，聚丙烯腈碳纤维不易 被氧化。
良好的耐溶剂性
对各种有机溶剂，聚丙烯腈碳纤维表现出较 好的稳定性。
耐辐照稳定性
在强辐照环境下，聚丙烯腈碳纤维的性能不 易发生变化，具有较好的稳定性。
04 聚丙烯腈碳纤维的应用实 例
航空航天领域
05 聚丙烯腈碳纤维的未来发 展与挑战
新材料开发与性能提升
研发高强度、高模量、轻量化的聚丙烯腈碳纤维
通过材料改性、纳米复合等技术手段，提高聚丙烯腈碳纤维的力学性能和热稳定性，以满 足高端领域对高性能纤维的需求。
探索新型聚丙烯腈碳纤维的制备方法
研究新的合成路径和反应条件，降低生产成本，提高产量和纯度，实现大规模生产。
表面打磨
对碳纤维表面进行打磨处理，去 除表面的毛刺和不平整部分，提
高碳纤维与基体的结合强度。
03 聚丙烯腈碳纤维的性能特 点
力学性能
高强度
聚丙烯腈碳纤维具有极高的拉 伸强度，远超过其他纤维材料
。
高弹性模量
其弹性模量高，能够承受较大 的压力而不发生形变。
耐磨性
聚丙烯腈碳纤维具有较好的耐 磨性，能在复杂环境中保持其 性能。
在汽车领域，聚丙烯腈 碳纤维因其高强度和轻 质特性，被用于制造汽 车零部件，如车架、悬 挂系统等，提高了汽车 的燃油经济性和动力性 能。
在体育器材领域，聚丙 烯腈碳纤维因其轻质和 高强度特性，被广泛应 用于制造高尔夫球杆、 钓鱼竿、自行车车架等 运动器材，提高了运动 性能和安全性。
聚丙烯腈与碳纤维ppt课件

聚丙烯腈与碳纤维ppt课件

14
碳纤维的应用
航天、航空、 汽车、 电 子、 机械、化工、轻纺 等民用工业&运动器材和 休闲用品
Diagram 2
15
碳纤维生产流程
16
预氧化
预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下 进行。预氧化过程中发生的反应以环化、氧化和脱氢为主。
17
预氧化
PAN原丝热氧化稳定化中各反应顺序
20
预氧化
2.氧化反应： 首先进行氧化脱水，在Β-碳原子上引入羟基并形成共轭体系。
氧的作用下，Β-碳原子被氧化为酮基，并引发氰基环化为共轭结构。
21
碳化
碳化：在300℃～1500℃的惰性气氛中进行，碳纤维 生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改 变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率40％ ~45％，含碳量95%左右。
294
2.2
2,740
392
0.7
3,920
588
0.7
13
碳纤维的性质
• 高比强度、高比模量 • 耐高温，使用温度2000℃ • 3000 ℃非氧化气氛中不融不软 • 耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 • 热膨胀系数小，约等于零 • 热导率高，约为10-140W/(m 。K) • 摩擦系数小,有自润滑作用。 • 导电性好，102-104/欧姆－厘米
8
聚丙烯腈的合成
• 转移:链自由基从其他分子(单体、溶剂、引发剂、
大分子等)上转移获得一个原子,使链自由基本身停 止增长。这个分子失去原子后成为新的自由基,但如 果其活性明显低于链自由基,也不能继续引发聚合, 而只能与其它自由基双基终止,起到阻止聚合、终止 链式反应的作用。
9
什么是碳纤维 • 碳纤维是含碳量在90％以上的无机高分子

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料共20页文档


46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的Байду номын сангаас对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在1000℃及以上温度的热分解中碳得率较高5055％。
PANCF的制备方 法及结构演变
聚合反应
聚合反应历程
聚合反应
起始反应
增长反应
结合反应
终止反应
歧化反应
链转移反应 单体转移
溶剂转移
聚 合 反 应 及 聚 合 体 特点
终止速率常数（Kt）随着温度变化最敏感，每提高1 ℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右时，PAN Mw/Mn﹥2的 倾向性特别大。
聚丙烯腈碳纤维（PANCF）
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
碳纤维概述
碳纤维概述
碳纤维是由90%以上的碳元素组成 的纤维。碳原子结构最规整排列的物 质是金刚石，碳纤维结构近乎石墨结 构，比金刚石结构规整性稍差，具有 很高的抗拉强度，它的强度约为钢的 四倍，密度为钢的四分之一。同时具 有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其 他优良性能。
纺丝
PAN原丝成形过程的特点
聚丙烯腈纺丝过程中正因为采用高强力凝 固剂（水、无机离子水溶液等），它们的内 聚能密度>>1000J/cm3.mol，故聚丙烯腈溶胶 一碰到一点点的水分子时，很快在溶胶表面 形成牢固无规堆积的的PAN凝聚体及并在其中 形成大量的微孔隙，且在之后的工序中很难 调整这些无规堆积结构，更难以消除大量微 孔，除非采取高度强制性措施，如通过高温， 高牵伸等。但是由于－CN基强极性的根本原 因，一般措施难以见效。
PANCF 的发展历程
里程碑 I 日本科学家 Shindo 预氧化 II英国科学家 Watt 张力预氧化
强度的进展
六十年代 1.4 GPa
七十年代 2.7 GPa
八十年代 3.5 GPa
九十年代 7.03 GPa
碳纤维的分类（1）
按原料分
粘胶基碳纤维
（Rayon基CF）
最早问世，宇航唯一性材料
CN CN X CN CN CN CN X CN CN CN CN X CN CN CN CN X CN CN CN CN CN X CN CN CN X CN CN
CN CN CN X CN X CN CN CN X CN CN CN CN CN CN CN CN CN CN X CN CN CN X CN CN X CN CN
A, 链段内分布均匀 链段间分布也均匀
CN CN CN CN CN CN X CN CN CN CN CN X CN CN CN CN X CN CN X CN CN CN X CN CN CN X CN
B,链段间分布均匀 链段内分布不均匀
A、B、C三种聚合物的组成相同 但链结构不同，共性质也会不同
解决办法:
引入结构缺陷 破坏结晶/改善溶解性
共聚合(% 共单体)
易于纺丝.
引入共聚单体的作用
增加聚合物的溶解性和可纺性 改变环化机理(自由基离子机理)
降低环化温度、放热峰变宽 降低原丝的结构规整性和结晶度
增加大分子链结构的不均匀性 可能引入更多的无机杂质和有机杂质
共聚单体结构
酸性单体: IA/AA… 改善预氧化过程.
中性单体: MMA/BA… 1)改善可纺性. 2)提高氧扩散能力 改善预氧化过程.
碱性单体: AM…
改善可纺性.
什么样的共聚单体最好？ 其用量多少最合适？
PAN原丝常用的共聚单体
No
共聚单体
化学结构
1
Acrylic acid
CH2=CHCOOH
2
Methacrylic acid
C, 链段内分布不均匀 链段间分布也不均匀
PAN聚合体主链结 构缺陷的产生机理
PAN聚合体侧链结构 缺陷的产生机理
成纤聚合物链结构
可纺性
原丝结构(凝聚态)
预氧化
预氧丝结构与性能
分子量及其分布
GPC
共聚单体结构
FTIR
共单体含量
FTIR
序列结构均匀性
？
立构规整性
NMR 13C NMR
畸变结构单元
FTIR
CH2=C(CH3)COOH
3
Methacrylate
CH2=CHCOOCH3
4
Acrylamide
CH2=CHCOONH2
5
Itaconic acid
CH2=(COOH)CH2COOH
酸性共聚单体最适合的用量2.5mol% 含量过高会引起稳定化速率的增加
引起链长缩减及成品质量下降
序列结构均匀的成纤聚合物
3,5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
230
1.5
6,370
294
2.2
2,740
392
0.7
3,920
588
0.7
碳纤维的主要性能
• 高比强度、高比模量 • 耐高温，使用温度2000℃
3000 ℃非氧化气氛中不融不软 • 耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 • 热膨胀系数小，约等于零 • 热导率高，约为10-140W/(m 。K) • 摩擦系数小,有自润滑作用。 • 导电性好，102-104/欧姆－厘米
PAN的溶解参数25.3，只能溶解于良溶剂中。DMSO的溶解 参数度参数为29.4，溶解性能好，。但难以从纤维中洗 净。
结构规整性
CN
CN CN
+R
CN
AN
CN CN
CN
AN
CN
＋ RH
CN
CN
+R
CN
CN
“头头”联接 ？ 支化结构？ 环状结构？
偶极矩
高度结晶 溶解性不好 可纺性较差 难以拉伸 预氧化时起峰温度高、放热集中
沥青基碳纤维
（Pitch基CF）
得率最高，最经济的品种
聚丙烯腈基碳纤维 （PAN基CF）
性能最全面，应用最广泛
碳纤维的分类（2）
按力学性能分
通用级(GP)
T-300
高性能级(HP)
高强 T-1000 高模 M40 高强高模 M60J
指标
型号
T-300
T-1000
M40
M60J
抗拉强度 MPa 抗拉模量 GPa 断裂伸长率 ％
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
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。
可以各种拉伸手段尽量拉到1000％以上，线性大 分子链能沿纤维轴择优取向。可在160℃附近塑性 状态热稳定化中再次拉伸提高分子链择优取向度。
由于－CN基团的高度极性，-CN与各种Me+络合能力很大， 高纯化难度大，容易形成间规结构，给下一步预氧化和 碳化带来一系列困难。
-CN为有机基团中极性最大的基团， PAN的分子间作用 力非常大，其内聚能密度（620-900J/cm3.mol）几乎在 所有合成高分子中最高,PAN分子链非常不容易内旋转， 甚至高温加热也不容易使PAN的链段运动, 这种牢固的 极性结构一旦形成某种构象及凝聚态结构就难以改变, 微孔不易消除。