PAN碳纤维
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相邻层间的C原子位置有固定的层间关系 所以石墨晶体是三维有序的各向异性材料，沿层平面方向具有 非常高的模量，启发了试想发展层平面与纤维轴向一致的纤维 材料，必须具有高模量，由此启发了碳纤维的问世
11
碳纤维的结构与性能
CF 的结构 石墨层片 石墨微晶 石墨原纤 碳纤维
（乱层结构） （条带结构）
碳纤维的结构与性能
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
6 上油 防止单丝之问粘连或并丝，摩擦与磨损，减少毛 丝出现等作用 7 干燥致密化
消除一定程度的内应力和缺陷，结构不均匀等
8 蒸汽牵伸 使原丝中聚丙烯睛大分子链沿轴向排列,提高聚合物 的取向度，改善纤维的力学性能
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
聚丙烯腈基碳纤维
PATCHWORKS Alloy XXX碳 纤维保护壳for iPhone 5/5s
PATCHWORKS 推出了一款铝合金+碳纤维混合材质的保护壳 碳纤维的强韧性是铝镁合金的两倍而且散热效果最好，低重量的同时也具备 Alloy XXX Carbon Fiber，它使用了铝合金框架和碳纤维背壳， 耐热和耐腐蚀性，以及较高的机械强度，尤其是当背壳受到伤害时，更容易 坚硬有型，给iPhone 5s带来最强保护 修复。特殊工艺处理，不会有信号受干扰问题 。
碳纤维的结构组成： 最基本的结构单元仍是石墨层片。 二级结构单元为由数张到数十张层片组成石墨微晶。 三级结构单元为石墨微晶再组成原纤维，直径20nm左右，长度数 百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条 带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。
最后由原纤维组成碳纤维的单丝
碳纤维的结构与性能
9 热定型 消除纤维内残余内应力，降低原丝沸水收缩率,提 高纤维形状的稳定性，提高纤维的物理机械性能
10 干燥和收丝
1. 密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1. 5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的 1 /4铝合金密度1/2 2. 强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~ 5倍, 弹性回复为100% 3. 热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几 千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂 4. 摩擦系数小, 并具有润滑性 5. 导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为775 cm, 高强度碳纤维则 为1 500 cm 6. 耐高温和低温性好, 在3 000 非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮 温度下依旧很柔软, 也不脆化 7. 耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性
干喷湿纺
高粘度纺丝液 高纺丝速度 高取向的原丝 原丝结构均匀密 强度比湿纺原 丝提高50%以上
湿法纺丝 干法纺丝
残留溶剂量难控制 纺丝速度快 可调控参数多残 留溶剂少
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
4 预牵伸 目的主要有三点:降低纤维直径;提高水洗效率:提高 初生纤维的强度为实现大倍率二次牵伸创造条件 5 水洗和沸水牵伸 目的除去初生丝中一定量的的溶剂，大分子链沿着 纤维轴向充分地排列整齐,纤维纤度下降,强度提高
碳纤维简介
碳纤维(carbon fiber,简称CF)是一种含碳量在95%以 上的高强度、高模量的新型纤维材料。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。它具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐 蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不 仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战 略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。
碳纤维的结构与性能
材料的性能主要取决于材料的结构，结构包括化 学结构和物理结构 理想的石墨晶体结构 属六方晶系真实的碳纤 维结构属于乱层石墨结 次价键 构
共价键键强度为 150kcal/mol，模量为 1035GPa 次价键键强度为 1.30kcal/mol，模量为 36GPa
共价键
碳纤维的结构与性能
聚丙烯 腈的结 构： 均聚体的聚合物中存在大量的－CN基团，大分子间作用力 强，无侧链，使预氧化和碳化生产周期长，成本高，强度低。
碳纤维生产工艺
采用共聚体可解决上述问题，共聚体的原丝使活化 能降低，有利于促进环化和交联，缓和预氧化物放热反应 ，改善纤维的致密性和均匀性 共聚单体的选择： 与丙稀腈有相似竞聚率，并具有亲核基团的单体，如 丙烯酸、MMA、马来酸、衣康酸、丙烯酸酯类等 第二单体-丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯和醋酸乙烯等， 作用是降低大分子间作用力，改善纤维弹性 （含量5％～ 10％ ）
4
碳纤维生产工艺
聚丙烯腈(PAN)原丝的制备
2
脱单体、脱泡和过滤
聚合反应后,必须对原液进行脱单体、脱泡和过滤,其 目的是除去原液中未反应的小分子量单体,脱出纺丝液 中的气泡,并将配料、纺丝液输送等工艺过程中产生的 凝胶和混入的机械杂质过滤掉,以保证纺丝的顺利进行
纺丝工艺的优劣
3 纤维的成纤过程
纺丝过程是一物理过程,也是一个相分离 成纤过程
碳纤维生产工艺
聚合方法
碳纤维工业生产中最常用均相溶液聚合的方法，也是研究最 为充分的一种方法,是反应单体和引发剂在合适溶剂中进行的 聚合该聚合体系是由单体(AN和共聚单体)引发剂和溶剂三部 分组成,这三部分组成了一个均一稳定的反应体系随着聚合反 应的进行,生成的PAN聚合物同时溶解在溶剂中,因此称为均相 溶液聚合.
1 聚合 PAN原丝纺丝原液的合成遵从自由基聚合机理,主要采 用溶液聚合制得，在聚合时加入适量的共聚组分,可改 变均聚PAN在预氧化过程中的反应为离子型反应,使其 过程可控;降低环化反应活化能;提供氧向纤维芯部扩 散和渗透的分子级通道;改善纺丝液的亲水性和丝条的 致密性
碳纤维生产工艺
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
碳纤维生产工艺
第三单体-改进纤维的染色性及亲水性 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、 衣康酸等； 另一类是对酸性染料有亲和力，含有氨基、酰胺 基、吡啶基等单体，如乙烯吡啶、2—甲基—5— 乙基吡啶、甲基丙烯酸二甲替氨基乙酯等。加入 量约0.5％~3％
碳纤维生产工艺
聚丙烯基碳纤维 粘胶基碳纤维
原丝类型
沥青基碳纤维 木质素纤维基碳纤维 其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
目前只有粘胶(纤维素)基纤维沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三 种原料制备碳纤维工艺实现了工业化，其中90 % 为聚丙烯睛基碳 纤维
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
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碳纤维的结构与性能
CF 的结构 石墨层片 石墨微晶 石墨原纤 碳纤维
（乱层结构） （条带结构）
碳纤维的结构与性能
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
6 上油 防止单丝之问粘连或并丝，摩擦与磨损，减少毛 丝出现等作用 7 干燥致密化
消除一定程度的内应力和缺陷，结构不均匀等
8 蒸汽牵伸 使原丝中聚丙烯睛大分子链沿轴向排列,提高聚合物 的取向度，改善纤维的力学性能
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
聚丙烯腈基碳纤维
PATCHWORKS Alloy XXX碳 纤维保护壳for iPhone 5/5s
PATCHWORKS 推出了一款铝合金+碳纤维混合材质的保护壳 碳纤维的强韧性是铝镁合金的两倍而且散热效果最好，低重量的同时也具备 Alloy XXX Carbon Fiber，它使用了铝合金框架和碳纤维背壳， 耐热和耐腐蚀性，以及较高的机械强度，尤其是当背壳受到伤害时，更容易 坚硬有型，给iPhone 5s带来最强保护 修复。特殊工艺处理，不会有信号受干扰问题 。
碳纤维的结构组成： 最基本的结构单元仍是石墨层片。 二级结构单元为由数张到数十张层片组成石墨微晶。 三级结构单元为石墨微晶再组成原纤维，直径20nm左右，长度数 百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条 带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。
最后由原纤维组成碳纤维的单丝
碳纤维的结构与性能
9 热定型 消除纤维内残余内应力，降低原丝沸水收缩率,提 高纤维形状的稳定性，提高纤维的物理机械性能
10 干燥和收丝
1. 密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1. 5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的 1 /4铝合金密度1/2 2. 强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~ 5倍, 弹性回复为100% 3. 热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几 千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂 4. 摩擦系数小, 并具有润滑性 5. 导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为775 cm, 高强度碳纤维则 为1 500 cm 6. 耐高温和低温性好, 在3 000 非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮 温度下依旧很柔软, 也不脆化 7. 耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性
干喷湿纺
高粘度纺丝液 高纺丝速度 高取向的原丝 原丝结构均匀密 强度比湿纺原 丝提高50%以上
湿法纺丝 干法纺丝
残留溶剂量难控制 纺丝速度快 可调控参数多残 留溶剂少
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备
4 预牵伸 目的主要有三点:降低纤维直径;提高水洗效率:提高 初生纤维的强度为实现大倍率二次牵伸创造条件 5 水洗和沸水牵伸 目的除去初生丝中一定量的的溶剂，大分子链沿着 纤维轴向充分地排列整齐,纤维纤度下降,强度提高
碳纤维简介
碳纤维(carbon fiber,简称CF)是一种含碳量在95%以 上的高强度、高模量的新型纤维材料。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。它具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐 蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不 仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战 略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。
碳纤维的结构与性能
材料的性能主要取决于材料的结构，结构包括化 学结构和物理结构 理想的石墨晶体结构 属六方晶系真实的碳纤 维结构属于乱层石墨结 次价键 构
共价键键强度为 150kcal/mol，模量为 1035GPa 次价键键强度为 1.30kcal/mol，模量为 36GPa
共价键
碳纤维的结构与性能
聚丙烯 腈的结 构： 均聚体的聚合物中存在大量的－CN基团，大分子间作用力 强，无侧链，使预氧化和碳化生产周期长，成本高，强度低。
碳纤维生产工艺
采用共聚体可解决上述问题，共聚体的原丝使活化 能降低，有利于促进环化和交联，缓和预氧化物放热反应 ，改善纤维的致密性和均匀性 共聚单体的选择： 与丙稀腈有相似竞聚率，并具有亲核基团的单体，如 丙烯酸、MMA、马来酸、衣康酸、丙烯酸酯类等 第二单体-丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯和醋酸乙烯等， 作用是降低大分子间作用力，改善纤维弹性 （含量5％～ 10％ ）
4
碳纤维生产工艺
聚丙烯腈(PAN)原丝的制备
2
脱单体、脱泡和过滤
聚合反应后,必须对原液进行脱单体、脱泡和过滤,其 目的是除去原液中未反应的小分子量单体,脱出纺丝液 中的气泡,并将配料、纺丝液输送等工艺过程中产生的 凝胶和混入的机械杂质过滤掉,以保证纺丝的顺利进行
纺丝工艺的优劣
3 纤维的成纤过程
纺丝过程是一物理过程,也是一个相分离 成纤过程
碳纤维生产工艺
聚合方法
碳纤维工业生产中最常用均相溶液聚合的方法，也是研究最 为充分的一种方法,是反应单体和引发剂在合适溶剂中进行的 聚合该聚合体系是由单体(AN和共聚单体)引发剂和溶剂三部 分组成,这三部分组成了一个均一稳定的反应体系随着聚合反 应的进行,生成的PAN聚合物同时溶解在溶剂中,因此称为均相 溶液聚合.
1 聚合 PAN原丝纺丝原液的合成遵从自由基聚合机理,主要采 用溶液聚合制得，在聚合时加入适量的共聚组分,可改 变均聚PAN在预氧化过程中的反应为离子型反应,使其 过程可控;降低环化反应活化能;提供氧向纤维芯部扩 散和渗透的分子级通道;改善纺丝液的亲水性和丝条的 致密性
碳纤维生产工艺
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
碳纤维生产工艺
第三单体-改进纤维的染色性及亲水性 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、 衣康酸等； 另一类是对酸性染料有亲和力，含有氨基、酰胺 基、吡啶基等单体，如乙烯吡啶、2—甲基—5— 乙基吡啶、甲基丙烯酸二甲替氨基乙酯等。加入 量约0.5％~3％
碳纤维生产工艺
聚丙烯基碳纤维 粘胶基碳纤维
原丝类型
沥青基碳纤维 木质素纤维基碳纤维 其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
目前只有粘胶(纤维素)基纤维沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三 种原料制备碳纤维工艺实现了工业化，其中90 % 为聚丙烯睛基碳 纤维
碳纤维生产工艺
聚丙烯睛(PAN)原丝的制备