碳纤维及其在领域中应用课件
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为了保证碳纤维性能的优良,原丝应具备高纯度、高强度 和高取向度、细旦化等性能。
碳纤维及其在领域中应用
19
高纯度:
原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。
可从以下几方面采取措施: 原料的精密过滤 充分洗涤 无尘纺丝
高强度和高取向度:
采用干湿法纺丝
细旦化:
原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维 的主要技术途径之一。
95%以上。
按制造条件 和方法分类
石墨纤维:石墨化温度2000oC以上,碳含
量99%以上。
活性碳纤维:气体活化法,CF在600~
1200oC,用水蒸汽、CO2、空 气等活化。
气相生长碳纤维:惰性气氛中将小分子
有机物在高温下沉积成纤维- 晶须或短纤维。
碳纤维及其在领域中应用
7
7.3 CF的制造
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝,只能以有机纤 维为原料,采用间接方法来制造。
加热速度较慢,而且不同的过程中,加热速度也不同。
碳纤维及其在领域中应用
12
• 7.3.2 以PAN为原丝制造CF
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。
1)基本工艺流程
➢ CF制造过程中最主要环节:
原丝制备; 原丝予氧化; 予氧化丝碳化或进一步石墨化
碳纤维及其在领域中应用
13
丙烯腈 共聚单体 引发剂
水洗时间(s)
3
6
10
12
27
残留溶剂(%) 4.46 2.93 0.24 0.10 0.01
原
强度
丝 (CN/dtex)
3.33
3.82
4.21
4.67
5.25
模量 (CN/dtex)
91.7
107
117
126
141
碳 强度(Gpa) 1.10 1.45 1.83 2.65 2.85 纤 维 模量(Gpa) 1.0 1.40 1.80 2.40 2.60
8
一般以有机纤维为原料制造CF的过程:
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
• 原丝的选择条件:
强度高,杂质少,纤度均匀,细旦化等。
• 基本条件:
加热时不熔融,可牵伸,且CF产率高。
• 常用的CF原丝:
聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维
碳纤维及其在领域中应用
9
7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF
CH2OH
O OH O
纺丝
聚合
PAN
湿纺
PAN 纤维
干湿纺
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
碳化
OF
惰性气氛
CF
1200-1500 oC
数分至数十分钟
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
碳纤维及其在领域中应用
14
2)原丝的制备 a.聚合 • 加入共聚单体的目的:
高性能CF
高强度CF (HS) 高模量CF (HM) 超高强CF (UHS) 超高模CF (UHM) 高强-高模CF 中强-中模CF 等
碳纤维及其在领域中应用
5
按碳纤维的 功能分类
受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF
碳纤维及其在领域中应用
6
碳纤维:碳化温度1200~1500oC,碳含量
CH2OH O
OH O
OH
OH
纤维素的分子结构式
分子式(C6H10O5)n
粘胶纤维由于具有环状分子结构,所以可以直接进 行碳化或石墨化处理,加热不会熔融,不需予氧化处理 进行环化。
碳纤维及其在领域中应用
10
• 缺点:
粘胶中含有大量的H、O原子,所以碳化理论收率仅55%, 实际收率约20~30%;
粘胶基CF强度较低,性能平衡性差,弹性系数较大。
碳纤维及其在领域中应用
2
7.2 CF分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维Fra Baidu bibliotek能 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维及其在领域中应用
3
按原丝类型分类
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
碳纤维及其在领域中应用
4
按碳纤维 性能分类
通用级CF:拉伸强度<1.4GPa,拉伸模量<140GPa
• 优点:
瞬间耐烧蚀性能好,可用作火箭的内衬材料。
碳纤维及其在领域中应用
11
热处理过程:
① 25~150℃,脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)
② 150~240℃,纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)
③ 240~400℃,自由基反应,C—O键及C—C键断裂,放出 H2O、CO、CO2等气体
④ 400℃以上,进行芳香化,放出H2 在整个处理过程中,为使CF性能优良,产率高,所以要求
➢碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡 态碳),根据形态的不同,在空气中在350℃以上的高温中就 会不同程度的氧化;在隔绝空气的惰性气氛中(常压下),元素 碳在高温下不会熔融,但在3800K以上的高温时不经液相, 直接升华,所以不能熔纺。
➢碳在各种溶剂中不溶解,所以不能溶液纺丝。
碳纤维及其在领域中应用
①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化,又能缓和纤
维化学反应的激烈程度,使反应易于控制;
②并可大大提高予氧化及碳化的速度;
③有利于预氧化过程的牵伸。
• 共聚单体的种类:
在众多的共聚单体中,不饱和羧酸类:如甲基丙烯酸、丙 烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。
碳纤维及其在领域中应用
15
b.纺丝 通常采用湿法纺丝,而不用干法纺丝?
碳纤维及其在领域中应用
17
近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的
新方法:干湿法纺丝
干喷湿纺示意图
碳纤维及其在领域中应用
18
干湿法纺丝的特点:
➢ 喷丝孔孔径较大(0.1~0.3mm),可使高粘度纺丝液成纤; ➢ 可提高纺丝速度; ➢ 易得到高强度高取向的原丝,且原丝结构均匀致密; ➢ 强度比湿纺原丝提高50%以上。
第七章 碳纤维 (Carbon Fiber)
碳纤维及其在领域中应用
1
7.1 概述
CF是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳 化合物。 或:纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。
Notes: • 只有在碳化过程中不熔融,不剧烈分解的有机纤维才能作 为CF的原料。
• 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。
(干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在予氧化及碳化过程
将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺
陷。) 湿法:
纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等
干法:
纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气,溶剂在此受热蒸发) → 冷却、拉伸等
碳纤维及其在领域中应用
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原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系
碳纤维及其在领域中应用
19
高纯度:
原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。
可从以下几方面采取措施: 原料的精密过滤 充分洗涤 无尘纺丝
高强度和高取向度:
采用干湿法纺丝
细旦化:
原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维 的主要技术途径之一。
95%以上。
按制造条件 和方法分类
石墨纤维:石墨化温度2000oC以上,碳含
量99%以上。
活性碳纤维:气体活化法,CF在600~
1200oC,用水蒸汽、CO2、空 气等活化。
气相生长碳纤维:惰性气氛中将小分子
有机物在高温下沉积成纤维- 晶须或短纤维。
碳纤维及其在领域中应用
7
7.3 CF的制造
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝,只能以有机纤 维为原料,采用间接方法来制造。
加热速度较慢,而且不同的过程中,加热速度也不同。
碳纤维及其在领域中应用
12
• 7.3.2 以PAN为原丝制造CF
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。
1)基本工艺流程
➢ CF制造过程中最主要环节:
原丝制备; 原丝予氧化; 予氧化丝碳化或进一步石墨化
碳纤维及其在领域中应用
13
丙烯腈 共聚单体 引发剂
水洗时间(s)
3
6
10
12
27
残留溶剂(%) 4.46 2.93 0.24 0.10 0.01
原
强度
丝 (CN/dtex)
3.33
3.82
4.21
4.67
5.25
模量 (CN/dtex)
91.7
107
117
126
141
碳 强度(Gpa) 1.10 1.45 1.83 2.65 2.85 纤 维 模量(Gpa) 1.0 1.40 1.80 2.40 2.60
8
一般以有机纤维为原料制造CF的过程:
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
• 原丝的选择条件:
强度高,杂质少,纤度均匀,细旦化等。
• 基本条件:
加热时不熔融,可牵伸,且CF产率高。
• 常用的CF原丝:
聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维
碳纤维及其在领域中应用
9
7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF
CH2OH
O OH O
纺丝
聚合
PAN
湿纺
PAN 纤维
干湿纺
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
碳化
OF
惰性气氛
CF
1200-1500 oC
数分至数十分钟
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
碳纤维及其在领域中应用
14
2)原丝的制备 a.聚合 • 加入共聚单体的目的:
高性能CF
高强度CF (HS) 高模量CF (HM) 超高强CF (UHS) 超高模CF (UHM) 高强-高模CF 中强-中模CF 等
碳纤维及其在领域中应用
5
按碳纤维的 功能分类
受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF
碳纤维及其在领域中应用
6
碳纤维:碳化温度1200~1500oC,碳含量
CH2OH O
OH O
OH
OH
纤维素的分子结构式
分子式(C6H10O5)n
粘胶纤维由于具有环状分子结构,所以可以直接进 行碳化或石墨化处理,加热不会熔融,不需予氧化处理 进行环化。
碳纤维及其在领域中应用
10
• 缺点:
粘胶中含有大量的H、O原子,所以碳化理论收率仅55%, 实际收率约20~30%;
粘胶基CF强度较低,性能平衡性差,弹性系数较大。
碳纤维及其在领域中应用
2
7.2 CF分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维Fra Baidu bibliotek能 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维及其在领域中应用
3
按原丝类型分类
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
碳纤维及其在领域中应用
4
按碳纤维 性能分类
通用级CF:拉伸强度<1.4GPa,拉伸模量<140GPa
• 优点:
瞬间耐烧蚀性能好,可用作火箭的内衬材料。
碳纤维及其在领域中应用
11
热处理过程:
① 25~150℃,脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)
② 150~240℃,纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)
③ 240~400℃,自由基反应,C—O键及C—C键断裂,放出 H2O、CO、CO2等气体
④ 400℃以上,进行芳香化,放出H2 在整个处理过程中,为使CF性能优良,产率高,所以要求
➢碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡 态碳),根据形态的不同,在空气中在350℃以上的高温中就 会不同程度的氧化;在隔绝空气的惰性气氛中(常压下),元素 碳在高温下不会熔融,但在3800K以上的高温时不经液相, 直接升华,所以不能熔纺。
➢碳在各种溶剂中不溶解,所以不能溶液纺丝。
碳纤维及其在领域中应用
①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化,又能缓和纤
维化学反应的激烈程度,使反应易于控制;
②并可大大提高予氧化及碳化的速度;
③有利于预氧化过程的牵伸。
• 共聚单体的种类:
在众多的共聚单体中,不饱和羧酸类:如甲基丙烯酸、丙 烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。
碳纤维及其在领域中应用
15
b.纺丝 通常采用湿法纺丝,而不用干法纺丝?
碳纤维及其在领域中应用
17
近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的
新方法:干湿法纺丝
干喷湿纺示意图
碳纤维及其在领域中应用
18
干湿法纺丝的特点:
➢ 喷丝孔孔径较大(0.1~0.3mm),可使高粘度纺丝液成纤; ➢ 可提高纺丝速度; ➢ 易得到高强度高取向的原丝,且原丝结构均匀致密; ➢ 强度比湿纺原丝提高50%以上。
第七章 碳纤维 (Carbon Fiber)
碳纤维及其在领域中应用
1
7.1 概述
CF是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳 化合物。 或:纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。
Notes: • 只有在碳化过程中不熔融,不剧烈分解的有机纤维才能作 为CF的原料。
• 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。
(干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在予氧化及碳化过程
将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺
陷。) 湿法:
纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等
干法:
纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气,溶剂在此受热蒸发) → 冷却、拉伸等
碳纤维及其在领域中应用
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原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系