聚丙烯腈分子螺旋状结构碳纤维结构
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
粘胶基热解法生产碳纤维：
以为粘胶丝为原料，400度以下分解，1500度惰性气氛中炭化，石墨化温度高于 2800度。 碳回收率低，产量少，成本高。以被前两种方法代替，现已较少使用。
聚丙烯腈（PAN)基碳纤维生产工艺：
工艺特点 碳回收率高，成本低，性能好ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ最有发展前途。
用PAN纤 维制造碳纤 维有三个阶 段：氧化、 碳化、石墨 化。PAN原 丝在制造碳 纤维过程中 的结构变化 见左图。
沥青基碳纤维生产工艺简介：
1、 以聚氯乙烯、煤焦油、石油和沥青混合料为原料，将其纺丝后在250350氧化处理，产生交联结构。 2、炭化是在1350-2000度氮气中进行，纤维保持高度取向结构。 3、石墨化温度为2500-3000度，进一步增加取向程度，模量可达900GPa， 接近石墨单晶理论模量1060GPa。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
65.9
5. 引发剂种类对聚合影响
样品 引发剂 1 引发剂 2 引发剂 2
转化率 (%) 12 h 76.9 84.8 89.6
粘均分子量 (× 104) / 19.8 22.0
旋转粘度 （Pa.S） / 49 145
GPC Mn 32578 29201 33674 Mw 64723 55412 57118 Mw/Mn 1.99 1.90 1.70
PAN-NVP
50
100
150
200
o
250
300
350
Temperature C
不同聚丙烯腈共聚物的放热峰
8.TGA分析
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在N2中的TGA曲线及其微分曲线
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在空气中的TGA曲线及其微分曲线
9.聚丙烯腈在管式反应器共聚的研究
聚丙烯腈在6米管式反应器共聚的原液性能
Mw/ Mn ≤ 2.8
1. 共聚单体种类对聚合速率的影响
PAN共聚物 PAN-DMI PAN-MBI 聚合时间 （小时） 24 48 转化率 (%) 55.0 81.1 粘均分子量 (×104) 21.4 Mn (×104) 3.3 2.4 Mw (×104) 7.3 6.5 Mw/Mn 2.2 2.7
6.共聚单体含量对等规度的影响
等规度 ≥ 26％
聚丙烯腈的13C－NMR谱图
共聚单体总含量对聚丙烯腈等规度的影响 共聚单体 含量(wt%) 2.5 4.3 5.9
13C-NMR谱
图
等规度(%)
26.0
26.1
29.8
7.共聚单体种类对DSC放热峰的影响
PAN-AM PAN-DMI-IA PAN-DMI
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
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(PAN)基碳纤维复合材料-作业
b、碳化收率为50%-55%;
c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN纤维截面SEM照
PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
全球PAN碳纤维产业发展情况
全球PAN碳纤维产业发展情况
比重不到钢的1/4 ，市面上出售的 PAN基碳纤维密度 在1.75-1.93g/cm3 之间。
耐高温（惰性气 氛下可耐2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基碳纤维的制造
PAN结构式
I→600pm←I
a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料-作业
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维 等人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等 过程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
粘胶基
沥青基
聚丙烯腈基
碳纤维的性能（PAN）
Байду номын сангаас
强度高
密度低
其他性能
理论强度可达到 180GPa。目前东 丽T1000的强度达 到7.02GPa，虽然 远低于理论值但 比钢的强度要高 出很多
聚丙烯腈的结构
聚丙烯腈的结构聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）是一种有机高分子化合物，是丙烯腈（Acrylonitrile，AN）分子的聚合物。
聚丙烯腈分子中有大量的碳-氮键和碳-碳键，具有较好的机械性能和热稳定性，是一种优良的工程塑料。
聚丙烯腈广泛应用于合成纤维、复合材料、电解质膜和各种高分子材料等领域。
聚丙烯腈的结构是由丙烯腈分子通过共价键结合而成的高分子链。
聚合反应一般采用自由基聚合，将丙烯腈单体在过硫酸二铵等自由基引发剂的作用下，发生加成聚合反应。
聚丙烯腈分子的化学式为（-CH2-CHCN-）n，其中n为聚合度。
聚丙烯腈分子的结构中，C=C 双键不参与反应，而是与丙烯腈的另一个碳原子形成了环状结构。
每个丙烯腈分子上的亲核基团-CN会发生聚合反应，加成到相邻丙烯腈分子的C=C双键上，形成聚合链。
聚合反应过程中，若控制反应时间和温度，可以控制聚合度，来获得具有不同性能的聚丙烯腈。
聚丙烯腈的主要结构单元是-CN，因此它具有极强的极性，并且在水中具有良好的溶解度。
但是由于聚丙烯腈中仍含有少量氢、氧等原子，因此可被部分有机溶剂如二甲基甲酰胺、甲醇等溶解。
聚丙烯腈分子链上的氰基（CN）具有极强的空间吸引性，因此聚丙烯腈的分子链会出现固态共晶结构，形成一种有序的晶格构造。
聚丙烯腈的结构中还存在着一些瘤结构单元，如共价键和双键的交替结构、共轭结构、羟甲基等。
这些结构单元的存在不仅影响了聚丙烯腈的物理化学性质，也会影响到加工性能及后续用途。
例如，共轭结构的存在使得聚丙烯腈具有较好的电导性能，可用于制备锂离子电池隔膜；羟甲基的存在则使得聚丙烯腈的亲水性较强，可用于电解质膜的制备等。
总之，聚丙烯腈的结构是由AN单体通过自由基聚合反应而成的高分子链，分子结构中含有-CN、共轭结构以及羟甲基等多种结构单元。
这些结构单元的存在使聚丙烯腈具有较好的物理化学性质和高分子工程应用价值。
聚丙烯腈碳纤维
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
聚丙烯腈碳纤维
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。
从侧向看，分子间—CN相互吸引， 因此导致大分子相互有规则的排列。但 是由于大分子链向上和向下排列的不同 ，而且分子链无规扭曲，因此并不是侧 向全部有序（即并不是全部—CN能配对 ）。因此PAN大分子侧向有序，但还存在 无定形部分。
分子间的—CN在无定形区也有相互 作用，尽管这时—CN的相互作用不是很 有规则，但也并不是杂乱无章。因此PAN 非晶区的规整程度比一般高聚物的无定 形区高。
聚丙烯腈碳纤维
尽管在链的侧面（a轴和b轴）方向上分子链之间的排 列是有规则的，但在c轴方向不存在等同周期，因此 PAN纤维并不是真正的结晶结构。
PAN非晶区的规整程度较高，因此没有一般概念的无 定形部分。
典型半结晶聚合物、纤维的玻璃化转变和它们的无定 形区相关,PAN的玻璃化转变和它的无定形部分关系不 明确。
熔融纺丝
➢ 纺速远比湿纺高 ➢ 表面缺陷、内部孔洞 ➢ 纯度较高 ➢ 内部残留溶剂难于去除 ➢ 碳聚丙纤烯腈维碳纤质维 量低下
优质原丝需要具备的特性：
➢ 高分子量（数均分子量为-2.6X105） ➢ 适当的分子量分布（重均数均比2.0-2.5） ➢ 最小的分子缺陷 ➢ 结晶取向度90％以上 ➢ 低共聚组分含量（2-3％） ➢ 低纤度（0.7-1.2 旦）有助于原丝向CF转化时 ➢ 热量的放出。可避免放热引起的得率降低 ➢ 高强度及高模量 ➢ 拉宽加热过程中由于氰基排列产生的放热峰，
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变按照原料来源，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等，其中PAN 基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，且其应用领域非常广泛，因此PAN 基碳纤维在市场占据主导地位。
PAN基碳纤维是以PAN原丝为原料，经过预氧化、低温碳化、高温碳化制备得到，若在此基础上进一步高温石墨化处理，可以制备得到高强高模碳纤维（又称：石墨纤维）。
在预氧化阶段，具有线型分子结构的PAN原丝经过环化、脱氢、氧化等复杂化学反应，转变具有耐热梯形结构的预氧化纤维，这种具有耐热梯形结构的纤维在惰性气体保护的碳化环境下，可以不融不燃，保持纤维形态，经过低温碳化、高温碳化后形成具有乱层石墨结构的碳纤维。
经过几十年发展，PAN原丝向碳纤维内部结构尤其是微观化学结构演变机制已基本明确，但是有关转变过程中表面结构演变规律研究则鲜有报道。
中科院宁波材料所特种纤维事业部以自研6k规格PAN原丝为原料，经过180℃-300℃预氧化、300℃-800℃低温碳化、1000℃-1600℃的高温碳化制备得到碳纤维，详细研究了PAN原丝向碳纤维转变过程中表面结构演变规律，针对转变过程中各阶段纤维：PAN原丝（Precursors:PF）、预氧化纤维（Thermo-oxidized fibers：TF）、低温碳化纤维（Low-temperature carbonized fibers：LCF）、高温碳化纤维（Carbon fiber: CF）表面特征结构进行了对比研究。
一、纤维表面物理形貌研究阶段纤维表面的扫描电镜结果显示，在PAN原丝向碳纤维转变过程中纤维表面轴向沟槽特征结构得以保留，与原丝（PF）相比，由于预氧化阶段存在双扩散过程，即：空气中氧元素由表及里扩散以、环化脱氢后以水蒸气形式由内向外扩散，该扩散致使预氧化纤维（TF）表面沟槽结构愈加明显，经过低温、高温碳化后，由于高温环境下化学反应剧烈，低温碳化纤维（LCF）与高温碳化纤维（CF）表面沟槽变窄。
聚丙烯腈和碳纤维(29页)
进靑基破
，最錄济 的 品种
聚丙烯
M■基碾
纤维
(PANJ CF)
应用最
Logo
碳纤维的分类
通用级(GP) T-300 商性般级(HP) 商强 T-1000 商模M40 商强商模 M60J
^3* 号 柑标
T-300 T-1000
M40 M60J
抗拉强度 MPa 3,530 6,370
2,740 3,920
聚丙烯腈&碳纤维
内容
1 ，聚丙烯腈（PAN）简介
2 -聚丙烯腈的合成
f
3 *碳纤维简介 4 :碳纤维的制造
聚丙烯腈
概念
聚丙烯腈是由丙烯 腈单体经自由基聚 合反应得到的聚台 物。主要用于制聚 丙烯腈纤维（腈纶 ）。
H HA
%—
H
Logo
聚丙烯腈纤维
7
Or
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聚丙烯腈的性质
聚丙烯腈外观为白色或略带黄色的不透明粉末
行.传质速度较缓和。
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H
亚胺结构的传递是环化序列长度增加的主要因素，生成的亚 胺结 构以氨分子形式脫除，标志黨环化反应终止。
Logo
预氧化
(2)酯类乙烯共聚单体引发的环引发的环化：丙烯酰胺(AAm)常用作共聚单体。
Logo
预氧化
2.氧化反应： 首先进行氧化脱水，在B-碳原子上引入羟基并形成共辗体系。
(4) HCN的释放：小的芳构化片之间缩聚的副产物。
HC
I ◦
HZ H? H2 CN
N夕cI C HcH’
H C I HCN C
碳化
Logo
碳化
(5) N2的释放：HCN的释放影响收率，900-1 300ftC是脱氮高峰。
聚丙烯腈基碳纤维的组织结构演变过程研究
聚丙烯腈基碳纤维的组织结构演变过程研究
聚丙烯腈基碳纤维，是在聚合物材料中发挥重要作用的一种高分子纳米纤维材料，在航空、航天、穿戴设备、智能终端的安全保护和元器件的制造中发挥重要作用。
这种高分子材料的组织结构演变，在纳米技术方面有重要的意义。
首先，我们要了解聚丙烯腈基碳纤维组织结构演变。
研究发现，当聚丙烯腈树脂在熱塑性变形过程中，由于施加的压力使其分子自我组装，在分子结构有序排列后，会生成具有特定厚度的碳纤维表面。
即使不加工压力，树脂仍然可以形成一定厚度的碳纤维，但该组织结构的特性强度低，抵抗性差。
其次，聚丙烯腈基碳纤维组织结构演变可以分为三个阶段，即熔点阶段、颗粒阶段和流平阶段。
在熔点阶段，聚合物物料在施加压力的条件下，因其流体性和塑性性质发生不稳定性，形成类似滴液的形状，有助于分子的有序自我排列；在颗粒阶段，聚丙烯腈树脂由于熔融温度的不同，导致其分子链发生剧烈振动，从而形成类似玻璃的状态；在流平阶段，聚合物物料以施加的压力为动力源，经过长时间的结晶影响和热能合成，形新型的热塑性结构，可以得到丰富的厚层碳纤维。
最后，聚丙烯腈基碳纤维的组织结构演变，有利于改善现有纤维材料的性能，并可用于研发新型的聚丙烯腈基碳纤维，这将有助于提高航空、航天、穿戴设备、智能终端的安全性，满足现代社会对高性能、多重功能材料的需求。
PAN碳纤维的组成和结构的演变
PAN碳纤维的组成和结构的演变1.聚合：将聚丙烯腈单体在引发剂的作用下进行自由基聚合反应，形成PAN线性聚合物。
2.纺丝：将聚合得到的PAN溶解在有机溶剂中，经过滤、脱泡等处理后，通过纺丝机将PAN溶液挤出成纤维形态。
3.拉伸：将纤维经过拉伸过程，通过拉伸增强PAN分子间的作用力，提高纤维的机械性能。
4.炭化：将PAN纤维经过高温炭化处理，使非晶态的PAN经过热解和结晶过程，转化为具有完全 graphitic 结构的碳纤维。
炭化阶段：在炭化过程中，PAN纤维中的非晶状结构会被热解为二氧化碳和氮气等气体的释放，PAN纤维中的氢、氧等元素含量也会减少。
同时，由于PAN纤维中的无序结构被热解，纤维的结晶度和有序性得到提高。
此阶段的主要过程是热解和结晶的同时进行。
石墨化阶段：在石墨化过程中，炭化得到的纤维结构逐渐转变为石墨结构，即由非晶态转变为 graphitic 结构。
在高温条件下，由于PAN纤维中残留的氢、氮等杂原子被彻底挥发，石墨晶体得到进一步转变和生长，纤维的结晶度和有序性得到更高的提高。
此阶段的主要过程是石墨化和晶体生长。
PAN碳纤维的组成和结构演变对其性能有着重要影响。
PAN纤维的组成决定了炭化过程中释放的气体种类和含量，同时也会影响到纤维的结晶度和有序性。
而纤维的结构演变则决定了其力学性能和导电性能等特性。
通过合理调控PAN碳纤维的制备工艺，可以优化纤维的组成和结构演变，进而实现对碳纤维性能的调控和提高。
总而言之，PAN碳纤维是由聚丙烯腈为原料制备而成的高性能纤维材料，其组成和结构的演变过程是炭化和石墨化阶段。
合理调控制备工艺可以优化其组成和结构，进而提高纤维的性能。
第六章聚丙烯腈纤维
第六章 聚丙烯腈纤维
第六章 聚丙烯腈纤维
二、湿法纺丝
1. 湿法成型的凝固过程 2. 在湿法纺丝过程中，纺丝原液由喷丝孔挤出凝固浴后，
纺丝细流的表层首先与凝固介质接触并很快凝固成一薄层， 凝固浴中的凝固剂（水）不断通过这一表层扩散至细流内 部，而细流中的溶剂也不断通过表层扩散至凝固浴中这一 过程即湿法成型中的双扩散过程。由于双扩散的不断进行， 使纺丝细流的表皮层不断增厚。当细流中间部分溶剂浓度 降低到某一临界值以下时，纺丝细流发生相分离，即初生 纤维从浴液中沉淀出来，并伴随一定程度的体积收缩。
第六章 聚丙烯腈纤维
第六章 聚丙烯腈纤维
第六章 聚丙烯腈纤维
第五节 聚丙烯腈纤维的后加工
对于湿纺而言，刚出凝固浴的丝条实际上是一种富含溶液 的冻胶，后处理工艺较为复杂；
而干法成型的腈纶，因成型条件缓和，纤维结构致密，后 处理工艺简单。
第六章 聚丙烯腈纤维
六、聚丙烯腈纤维的后加工
后加工主要包括拉伸、水洗、干燥致密化、卷曲、热定形、 上油及干燥打包等工序。
（9）单体及溶剂中的杂质：有机杂质主要来自原料单 体丙烯腈和溶剂。
第六章 聚丙烯腈纤维
（一）聚丙烯腈的结构
通过光谱分析研究证实，聚丙烯腈大分子链中丙烯腈单元 的连接方式主要是首尾连接。
第六章 聚丙烯腈纤维
聚丙烯腈主链并不是平面锯齿形分布，而是螺旋状的空间立 体构象，螺旋体直径为0.6nm。
聚丙烯腈纤维的结构特征
为什么？
丙烯腈单元主要是首尾相接：
CH2CHCH2CHCH2CH CN CN CN
一方面聚丙烯腈大分子带有极性强的氰基，其偶极矩比较大， 大分子间通过氰基发生偶极间的相互作用和氢键结合。
另一方面，同一大分子上相邻的氰基因极性方向相同而相斥。
“腈纶”----探秘聚丙烯腈
导语聚丙烯腈，化学式为(C3H3N)n，是一种高分子化合物，由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到。
大分子链中的丙烯腈单元是接头-尾方式相连的聚丙烯腈纤维的优点是耐候性和耐日晒性好，在室外放置18个月后还能保持原有强度的77%。
它还耐化学试剂，特别是无机酸、漂白粉、过氧化氢及一般有机试剂。
聚丙烯腈1结构(a)螺旋构象；(b)平面Z型构象PAN是一种较难结晶的聚合物，不同于其他极性烯烃类聚合物，即使是无规PAN也可以形成二维有序的准晶结构或三维有序的结晶结构。
对于二维有序准晶结构的PAN，普遍认为有两种结晶结构，一种属于六方晶系，一种属于正交晶系。
2聚丙烯腈如何制备？1.溶液聚合溶液聚合方法是将丙烯腈、溶剂和引发剂混合，形成均匀的溶液，经过加热到一定的温度后，引发剂开始催化聚合反应，聚合生成聚丙烯腈。
溶液聚合法的最大优点在于可以控制聚合过程中物料的组成以及反应温度，从而得到具有不同性能的聚丙烯腈。
溶液聚合反应结束后，通过蒸发或萃取使剩余的溶剂被去除。
2.悬浮聚合悬浮聚合方法是将丙烯腈和引发剂混合到水和表面活性剂组成的体系中，形成微小的液滴，并在液滴表面进行聚合反应，最终生成聚丙烯腈微粒。
悬浮聚合法的优点在于反应速度快、聚合产物颗粒均匀、操作简单等，但难以对反应过程进行精确的控制。
3聚丙烯腈的结构导致其有哪些特殊的性质？由于聚合物主链上的碳-碳键为单键，链具有柔性，可以进行一定程度的移动，有利于材料加工成纤维或膜的能力。
同样重要的是腈(-CN) 基团的存在，它是极性的，这意味着它会吸引水分子，使PAN 具有一定的亲水性或吸水性。
此外，腈基可以参与氢键结合，从而赋予材料额外的性能。
4聚丙烯腈的应用有哪些？1. 纺织品：聚丙烯腈纤维具有优异的强度和耐磨性，被广泛用于制作衣物、地毯、窗帘等纺织品。
聚丙烯腈主要用于制造合成纤维(如腈纶)。
纤维的特点是蓬松性和保暖性好，手感柔软，并具有良好的耐气候性和防霉、防蛀性能。
聚丙烯腈碳纤维
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。
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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。
聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系
聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系聚丙烯腈流变行为及碳纤维微观结构与力学性能关系引言：聚丙烯腈（PAN）是一种广泛用于制备高性能碳纤维的前驱体材料。
在制备过程中，PAN纤维经历了热脱水、氧化和碳化等步骤，形成了具有结晶结构的纤维，并最终转变为碳纤维。
然而，PAN纤维的微观结构与力学性能之间的关系尚不完全清楚。
本文旨在研究PAN纤维的流变行为，并探索其微观结构与力学性能之间的关系。
实验方法：首先，我们制备了不同浓度的PAN溶液，通过旋转流延工艺获得了PAN纤维。
然后，利用拉伸试验仪对PAN纤维进行拉伸性能测试，并通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术对样品的微观结构进行表征。
最后，我们利用动态力学分析仪（DMA）研究了PAN纤维的流变行为。
结果与讨论：通过拉伸试验，我们发现PAN纤维的抗拉强度随着PAN浓度的增加而增加。
这是因为增加PAN浓度会导致纤维内部的链段结晶度提高，从而增加了纤维的强度。
此外，当PAN浓度超过一定阈值时，纤维的抗拉强度便趋于饱和，这可能是由于高浓度条件下纤维表面液体脱离较慢而导致的。
通过SEM观察，我们发现PAN纤维的表面光滑且均匀，而高浓度下的纤维表面有更多的微观孔洞。
这些孔洞可能是由于高浓度PAN溶液的脱水过程中，封闭的气泡在纺丝过程中被带入纤维中而形成的。
此外，通过XRD分析，我们观察到PAN纤维的晶胞参数与PAN浓度呈正相关，这进一步证明了PAN浓度对纤维结晶度的影响。
通过DMA分析，我们研究了PAN纤维的流变行为。
结果显示，PAN纤维的储能模量和损耗模量随着温度的升高而减小，这可能是由于温度升高导致了纤维内部链段松弛和分子运动增加。
此外，PAN纤维的储能模量和损耗模量随着频率的增加而增加，这可能是由于频率的增加导致纤维内部链段运动受到更多限制。
结论：本研究通过实验和分析，揭示了PAN纤维的流变行为与其微观结构和力学性能之间的关系。
我们发现PAN纤维的抗拉强度与PAN浓度呈正相关，并且低浓度下的纤维表面更加光滑均匀。
(纤维化学与物理)第四章 聚丙烯腈纤维(腈纶)的生产、结构和性能 - 副本
四、化学性能
CH2 CH CN n
C—C主链：很稳定 氰基：水解
氰基水解过程：
C2H CH C2H CH +2 O H C2H CH C2H CH
CN CNH + 或 O-H
CO CO
N2H N2H
+H 2O H+或O-H
C2 HCHC2 HCH CO CO
OH OH
大分子溶解
碱催化作用强
——耐碱性差
• 蒸汽浴或沸水浴拉伸
• 干燥致密化
蒸发水分，消除微孔和裂缝，使结构密实
• 热定形：提高蕴晶完整性
– 毛型：松弛热定形
– 棉型：张力热定形
干法纺丝
第二节 聚丙烯腈纤维的形态结构和超分子结构
一、聚丙烯腈纤维的形态结构
纺丝方法 截面
纵向
湿法纺丝 圆形
粗糙
干法纺丝 花生果形 似树皮状
备注 有气孔
二、聚丙烯腈纤维的超分子结构
断裂强度和延伸度都较低，耐磨性较差
与羊毛相比
强度较大
2.影响应力-应变曲线的因素
纤维结构
单体组成（均聚物和共聚物、第二第三单体的成分） 生产条件（抽伸、热定形）
温度
温度越高，模量越低、强度越低、延伸度越大 温度对腈纶的应力应变曲线的影响比对锦纶和涤纶的都 大
湿度
强度、模量稍有下降
H 2C
多元共聚
H C CN
大分子结构复杂、不规则
H 2C
腈纶难产生三维有序的真正结晶
H C CN
HC CH 2
HC
CH 2 HC
第三节 聚丙烯腈纤维的性能
一、热性能
1.热转变点 （1）均聚物（三个热转变点）
第六章聚丙烯腈纤维
三、聚丙烯腈的性能
聚丙烯腈为白色粉末，密度1.14～1.15g/cm3， 220～230 ℃时软化并发生分解。
由于侧氰基作用，聚丙烯腈大分子主链呈螺旋状空间 立体构象。
聚丙烯腈的耐光性非常优良，这主要是由于聚丙烯腈 大分子上含有氰基，氰基中碳和氮原子间以三价键连 接，这种结构可吸收能量较强的光子，并能转化为热 能，从而保护了主链，使其不易发生降解。
反应热容易控制，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
NaC3lON2aSO3水溶液→聚合→终止反应→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－还原引发剂。 NaC3lO N2 aSO 3 在碱性条件下十分稳定，不会引发聚合 反应，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，引发聚合反应最佳pH值是1.9 ～2.2。聚合时一般加入HNO3或H2SO4使体系成为强酸性。
对阳离子染料有亲和力 对酸性染料有亲和力
其它原料
溶剂
无机溶剂：NaSCN水溶液，ZnCl2水溶液 有机溶剂： 二甲基甲酰胺（DMF）
二甲基乙酰胺（DMAc） 二甲基亚砜（DMSO） 碳酸乙烯酯（EC） 引发剂
偶氮类： 偶氮二异丁腈（AIBN） 氧化还原体系：氯酸钠－亚硫酸钠 NaClO3－Na2SO3
脱单体过程：完成聚合后的浆料由釜顶出料， 通往脱单体塔，未反应的单体在脱单体器
的伞面上沸腾逸去，在这里反应用的试剂混合 液又被作为回收单体的冷凝液，经冷凝器把未 反应的单体冷凝下来，带回试剂混合槽。第一 次可以除去未反应单体的90～95％，残存单体 仍高于工艺要求需进行第二次再脱，单体含量 <0.3%。
腈纶
腈纶腈纶是聚丙烯腈纤维商品名称，通常由85%以上的丙烯腈和其他单体共聚物组成。
腈纶是合成纤维品种之一，蝉联仅次于锦纶和涤纶，腈纶质轻保暖，弹性好，许多性能类似羊毛，故称“合成羊毛”，腈纶应用十分广泛。
一、腈纶的组成腈纶是丙烯腈为主要组分的共聚物，纯聚丙烯腈纺丝难、机械性能差、染色性不佳、故不利于染整加工及服装服用的要求。
为改善腈纶的性能，常在聚合时以丙烯腈为主，加入其他单体与之共聚，使上述缺点得到改善。
第一单体为丙烯腈，它是组成聚丙烯腈纤维的主体，第二单体通常为含酯基的乙烯基，它可以破坏聚丙烯腈大分子的规整性，降低分之间作用力，改善纤维手感和弹性，第三单体为染色单体，用于提供染色基团，改善纤维的染色性和亲水性。
二、腈纶生产简介1、纺丝原液的制备制备丙烯腈共聚物的纺丝原液，采用溶液聚合法，即在硫氰酸钠水溶液中，以偶氮二异丁腈为引发剂，是三种单体双键。
打开，发生聚合反应，聚合后所得溶液可直接用于纺丝。
2、纺丝方法聚丙烯腈纤维一般采用湿法纺丝或干法纺丝法。
优缺点讲述（以了解为主）三、腈纶的结构1、腈纶的形态结构在光学显微镜下观察，腈纶的纵向表面有沟槽，呈树皮状。
湿法纺丝生产的腈纶，其横截面基本上是圆的，而干法纺丝生产的腈纶，起横截面呈哑铃状。
湿法纺丝生产的腈纶，其结构中存在微孔。
共聚体的组成、放肆成型条件等会受到影响纤维内部微孔的形成与状态，而微孔的大小和多少又会影响到纤维的机械及染色性能。
为使在形态结构上与羊毛纤维类似，可生产具有双边结构的腈纶复合纤维，他是将两种不同的丙烯腈共聚物同时从喷丝头，凝固成丝。
由于复合纤维中两种共聚物的内应力不同，受热时收缩行不一样而卷曲，这与羊毛的正偏皮质结构相似，故可使腈纶具有类似羊毛的卷曲性质。
2、腈纶的分子结构腈纶腈纶的主要组成物质丙烯腈（CH2—CH2）nCN（1）腈纶大分子为碳链结构化学稳定性较好(2)腈纶大分子规整性好，分子结构紧密(3)腈纶大分子间依靠范德华力，氢键、偶极键结合，形成很强的分子间力，同一大分子上的氰基因极性相同而互相排斥，相邻大分子间因氰基因极性相反而相互吸引，这样使大分子链呈螺旋状构象，第二三单体加入后使这种构象更不规整这使腈纶分子结构上类似羊毛。
碳纤维 材料结构
碳纤维材料结构
碳纤维材料结构
碳纤维是一种高强度、高模量的材料，由于其优异的性能，被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。
碳纤维的结构是其性能的关键，下面我们来了解一下碳纤维的结构。
碳纤维的基本结构是由碳原子构成的六角形晶格，这种晶格被称为石墨晶格。
碳纤维的制备过程中，首先需要将聚丙烯腈纤维（PAN）进行氧化处理，形成氧化聚丙烯腈纤维（OPF）。
然后将OPF进行高温炭化处理，使其转化为碳纤维。
碳纤维的结构可以分为两种：单向碳纤维和多向碳纤维。
单向碳纤维的结构是由一根纤维组成，纤维的方向与材料的主轴方向一致。
多向碳纤维的结构是由多根纤维组成，纤维的方向不一定与材料的主轴方向一致。
碳纤维的结构决定了其性能。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优异性能。
其中，高强度和高模量是碳纤维的最大特点。
碳纤维的强度是钢的两倍以上，而模量是钢的五倍以上。
这使得碳纤维成为一种理想的轻量化材料，可以用于制造高速列车、飞机、航天器等。
碳纤维的结构是其性能的关键。
随着科技的不断发展，碳纤维的应用范围将会越来越广泛，成为未来材料领域的重要发展方向。
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參考資料
1.複合材料纖維學 許順發、郭文 雄 編著 2.纖維高分子複合材料問答集 .tw/~young/pccl/faq.ht ml#101
謝謝寧聽
聚丙烯腈要轉變為碳纖維，其首要之程序就是將其聚合物先抽成絲，在經 過環化，碳化，石墨化過程才能逐步轉化成高強度及模數之碳纖維，其行程是 一個複雜且繁複的過程。 碳纖維的良好性能，主要是由於其石墨的結晶結構，碳元子形成平面六角
的共價鍵結合，此平面的碳層互相疊合並捲曲成”長柱形”，而形成碳纖維‧
因此碳纖維在纖維的方向，由於共價鍵的緣故，具有較高的強度，而在橫向方 面，每一碳層間，則是靠較弱的凡得瓦力來結合。
大直徑之纖維。
玻璃纖維之性質：
1.高拉伸強度：玻璃纖維有特異的高拉伸強度，它的強度與重量比超過 鋼絲某方面之應用。 2.耐熱及耐火性：因玻璃纖維是無機化合物，故它不自燃易不助燃 3.耐化學性：對部分化學品，玻纖有相當優異之耐化學性。 4.抗濕性：玻璃不吸收水分，在濕的環境下保持一貫的機械強度 5.熱性質：由於低的熱線性膨脹和高的熱傳導係數，因而在熱環境下玻 璃纖維顯現優越的功能。
聚丙烯腈分子螺旋狀結構
碳纖維結構
玻璃纖維
玻璃纖維之製造，一開始係以矽砂和石灰石，硼酸及一些其他 化學品像黏土、媒、氟石乾混，這些混合物在高溫爐內熔融。 一般大約是1260度。根據玻璃組成份有關。接著熔融玻璃直接 流入纖維延伸爐內，或入大理石製機器，在溶解並抽成纖維。 每根從套孔中抽絲之纖維必須控制，如此才能得到所需纖維股 之尺寸及性質，要控制纖維之規格則靠熔融黏度、溫度及抽絲 速度之調整來完成；或藉由改變的材料。
+
塑膠
碳纖維
=
相 機 腳 架
iphone外殼
高 級 安 全 帽 筆電外殼
+
塑膠 玻璃纖維
=
船殼
水溝蓋
軟管
結語
現今的產品都充斥著複合材料，許多產品尤其是塑膠產品一定也都會
添加強化劑強化，這些都是複合材料。
碳纖維與玻璃纖維的產品當然不只是我們所講的這些產品而已，現在 很多塑膠產品或多或少都會加幾%的碳纖維或者玻璃纖維下去加強產 品的機械性能。複合材料之普遍幾乎是，我們所用的塑膠產品基本上 都是複合材料的產品。
高分子複合材料是以高分子塑膠為”基材”，纖維為”補強材”所
製成的材料，其中纖維可以不同的型式均勻的散佈在高分子塑膠中， 用來增加材料的機械性質。
碳纖維
用來製造碳纖維之母材，發展至今不下百種，而全世界生產碳纖維有百 分之八十、九十來自於聚丙烯腈。合成聚丙烯腈目前有兩種常用方法，分別為
1.溶液聚合 2.溶劑-水懸浮聚合。
纖維複合材料
組員:方凱弘49612014
馮冠廷49612013
張祥承49612101
前言
複合材料由於質輕，機械強度高，故廣泛應用在許多工業製造上更 甚至用於外太空中的惡劣環境中。
因為複合材料有高勁度、高強度、可裁剪性、耐腐蝕性、抗疲勞性、
低的熱膨脹性等特性。這多方面的功能都歸因於使用纖維補強之故。 複合材料能充分發揮其長處且展現各種特性，追根究柢在複合材料 之強化物，現今較為常見的是碳纖維與玻璃纖維機乎佔了整個強化 纖維織全部。