下载文档原格式
碳纤维表面处理方法的探讨1 引言碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。
国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美國纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。
此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。
孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。
王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。
2 常用表面处理方法2.1 阳极氧化法阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生产的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和二氧化碳的过程。
阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。
该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。
通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。
庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。
阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。
但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。
基于XRD的径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变林雪;王成国;于美杰;徐勇;林治涛;张姗【摘要】The structural evolution of PAN carbon fiber during preparation process was studied by using the X-ray Diffraction and radial distribution function. The results show that the graphite-like structure exists in the PAN fiber, which is the important basis of graphite microcrystalline structure. The nearest neighbor distance of PAN is 0. 688 nm. The third neighboring distances of all carbon fibers are greater than that of graphite, indicating that planar six-member rings of graphene sheet are not formed between 500℃ and 1250℃ . The structure of fibers transforms from long-range order to long-range disorder, and then from short-range order to long-range order during the whole preparation process of carbon fiber.%采用X 射线和径向分布函数研究分析了聚丙烯腈( PAN)基碳纤维制备过程中的结构演变.结果表明,PAN原丝中存在着与石墨类似的结构,该结构是石墨微晶结构形成的重要基础；PAN大分子链最近邻链间间距为0.688nm；碳化温度在500 ～1250℃范围内的碳化纤维中的第三近邻距离均大于石墨晶体的第三近邻距离,表明碳纤维中没有形成平面构型的六元环石墨烯层片；在整个碳纤维的制备过程中,纤维结构经历了长程有序-长程无序、短程有序-长程有序的演变.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)001【总页数】6页(P72-77)【关键词】碳纤维;聚丙烯腈;X射线衍射(XRD);径向分布函数;结构【作者】林雪;王成国;于美杰;徐勇;林治涛;张姗【作者单位】山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东建筑大学材料科学与工程学院,济南250101;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心,济南250061【正文语种】中文【中图分类】TQ342+.31聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐热、耐化学腐蚀等优异性能，在航空航天、石油化工、交通运输、体育休闲以及国防军事等领域应用广泛［1，2］。
PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构研究碳化纤维是一种具有优异性能的高性能纤维材料，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
其中，PAN基碳化纤维是目前应用最为广泛的一种碳化纤维，其性能主要受到晶态结构的影响。
因此，研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构对于提高碳化纤维的性能具有重要意义。
碳化纤维的制备过程主要包括氧化聚合、稳定处理和炭化三个步骤。
在这个过程中，纤维的晶态结构会发生一系列变化，这些变化直接影响着最终碳化纤维的性能。
在氧化聚合阶段，PAN分子会发生氧化反应，形成线性结构的聚合物链。
在这一阶段，纤维的结晶度较低，分子链之间结合较弱，纤维的强度和模量低。
随着稳定处理的进行，PAN分子链发生氧原子的脱除，形成碳链结构，晶格结构逐渐形成。
在这一阶段，纤维的结晶度提高，分子链之间结合强度增加，纤维的强度和模量也随之增加。
最终，在炭化过程中，碳原子进一步排列成六角环结构，形成了完全的碳化晶体结构，纤维的性能达到最优。
为了研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构，可以利用X射线衍射技术、红外光谱技术、拉曼光谱技术等手段进行分析。
X射线衍射技术可以用来确定纤维的结晶度、晶格参数和晶面取向，从而揭示纤维的晶体结构。
红外光谱技术可以用来检测PAN分子链中各种官能团的存在情况，揭示PAN分子链的构成和结构。
拉曼光谱技术可以用来观察纤维中碳原子的振动模式，从而帮助确定碳化晶体结构的形成情况。
通过对PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构的研究，可以深入了解纤维的形成机制，为优化制备工艺、提高纤维性能提供依据。
同时，通过调控纤维的晶态结构，可以实现对纤维性能的有效调控，为碳化纤维在各个领域的应用提供更多可能性。
因此，研究PAN基碳化纤维制备过程中纤维的晶态结构具有重要的科学意义和应用前景。
分析PAN基碳纤维在表面处理中的拉曼光谱研究摘要：我国的碳纤维研究虽然已经取得了长足的进步，但是与世界先进国家相比较的话还存在着很大的差距，因此要加大对碳纤维的研究力度，以改变目前我国碳纤维的现状，满足我国碳纤维市场的需要。
本文先是对实验部分进行了概述，又详细分析介绍了测定的结果，并进行了相应的讨论，以求能够提高碳纤维的性能，推动我国碳纤维的发展与进步。
关键词：PAN基碳纤维；表面处理；拉曼光谱；研究近几年，由于国民经济的快速发展，碳纤维也获得了长足的发展和进步，属于一种较为优质的增强材料，具有良好的强度、模量以及耐腐蚀性能，碳纤维已经被广泛的应用于我国多个领域之中。
激光拉曼光谱是在1970年应用于我国的碳纤维研究之中的，能够在一定程度上看出碳纤维材料的某些结构上发生的变化。
实验部分准备原材料和样品此次试验的原材料是T300的碳纤维，并将高温除胶之后的T300碳纤维作为此次试验的原始样品以备用，一部分的碳纤维样品放在浓HNO3液里，进行氧化处理，另外一部分的碳纤维进行瞬间高温的表面处理，其具体处理方法如下：浓HNO3液氧化处理：HNO3液的浓度是65%，温度需要控制在90℃，氧化处理需要的时间是12个小时；瞬间高温处理：对碳纤维样品进行通电的操作，并且通电中的电压和电流都是可以进行调节的，处理的时间不固定，需要根据实际试验中的情形而定。
性能测试此次试验所用的仪器设备是型号为LabRam-1B的显微激光拉曼光谱仪，以对待测样品中的拉曼光谱进行测定。
待测样品纤维的表面需要清洗干净，然后将清洗干净的样品纤维固定在样品台上，通过功率是4.3mW的He-Ne激光器对其进行扫描，He-Ne激光器的波长设置为632.8nm，并将分辨率设置为1cm-1.扫描的时间应该持续50s左右。
He-Ne激光器产生的激光束会照射在样品纤维中的某根单丝上，并在区间为900—1800cm-1的范围内记录成拉曼位移谱线，且每个样品都要在不同的位置取20个点用于测试，取这些数值的平均值，通过Origin对所得的数据平均值进行分析，从而保证分析结果的准确性和精确性。
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景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.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
碳纤维表面处理与改性碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。
但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。
良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。
反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。
碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。
通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。
因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。
碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化)、表面涂层法、表面接枝法等。
每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。
而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较长。
阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。
此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。
1、阳极氧化法阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳纤维表面进行电化学处理。
电解质溶液种类较多,主要可以分为酸性、碱性及中性三种。
酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。
PAN基碳纤维及其应用（南通大学纺082 0815012038 朱琴）摘要：聚丙烯腈基碳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。
本文简要介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、制备、碳纤维的应用领域以及面临的挑战，并对未来发展提出了一些建议。
关键词：PAN基碳纤维、结构、性能、制备、应用、挑战碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得，其中的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速，在碳纤维生产中占有绝对优势。
目前世界主要PAN基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到3．65万t的规模，仅次于劳纶，跃居世界高性能纤维的第2位。
碳纤维足军民两用新材料，是我国目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的高科技纤维之一，也是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种。
随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料产业研发的热点。
一、PAN基碳纤维的结构聚丙烯腈基碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要做复合材料的增强体。
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。
碳纤维各层面间的间距约为 3.39～3.42Å，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。
二、PAN基碳纤维的性能碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模（HP）等多种规格。
见表1表1 碳纤维的规格与性能规格高强型HT 高模型HM 通用型GP 高强高模型HP 直径/μm 7 5~8 9~182.5~4.5 2.0~2.8 0.78~1.03.0~3.5强度/（×103Mpa）2.0~2.43.5~7.0 3.8~4.0 4.0~8.0模量/（×103Gpa）伸长/% 1.3~1.8 0.4~0.8 2.1~2.5 0.4~0.5比重/（g/cm3） 1.78~1.96 1.40~2.00 1.76~1.82 1.9~2.1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、减震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、吸附性强的活性炭纤维；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。
氧含量对高分子量PAN纤维预氧化过程中化学结构及组成变化的研究刘志玲;张力;赵杨锋;曲凤杰;梁裕如【摘要】通过FTIR、XPS考察不同氧含量(0,20％,50％和100％)下恒温预氧化纤维及其表面化学结构.结果表明,随着预氧化的进行,纤维中线性分子链逐渐转变为“环状”结构,富氧环境中环化反应有所延缓,且最终“氰基残留率”较大,整体环化程度不高;表面O元素含量在预氧化初始阶段,随含氧量的增加而增加,当含氧量超过50％后,相对含量反而减小;纤维表面官能团主要以C-C为主,随着含氧量的增加,相对含量由83.7％减小至45.24％,其他官能团为被氧化的亚甲基团,相对含量逐渐增加.【期刊名称】《应用化工》【年(卷),期】2013(042)009【总页数】4页(P1658-1661)【关键词】高分子量;聚丙烯腈纤维;X射线光电子能谱;红外光谱【作者】刘志玲;张力;赵杨锋;曲凤杰;梁裕如【作者单位】陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安710075;西北化工研究院,陕西西安710600;西北化工研究院,陕西西安710600;陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安710075;陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安710075【正文语种】中文【中图分类】TQ050.4+25碳纤维作为军民两用的先进材料应用领域越来越多，需求量也与日俱增［1-2］。
纤维在预氧化过程中对温度和气氛比较敏感，其工艺将直接影响到最终碳纤维的质量［3-4］。
先前针对空气中预氧化条件对纤维的结构组成及化学变化进行了研究，但未能突出气氛对纤维性能的影响［5-6］。
孙同庆等［7］考察了臭氧和空气下对纤维预氧化的影响，突出了不同气氛对PAN纤维外表面形成的“皮芯”结构速度、化学反应速率、含氧量等的影响，对比实际应用条件较为苛刻;利用X射线光电子能谱可以对纤维表面元素(除H和He外)进行定性和定量分析，样品处理简单，表征结果具有广泛的适应性和高信息性。
