聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
cfrp的基本结构和制备方法
cfrp的基本结构和制备方法
CFRP是碳纤维增强复合材料的缩写，其基本结构由碳纤维和树脂基体组成。
1. 碳纤维：碳纤维是CFRP的增强材料，其具有高强度、高刚度和低密度的特点。
碳纤维通常由聚丙烯腈纤维经过高温炭化处理得到，具有纤维状的结构。
2. 树脂基体：树脂基体是CFRP的基础材料，其主要作用是固定和保护碳纤维，并传递外部载荷。
常用的树脂基体材料包括环氧树脂、聚酰亚胺、苯酚醛树脂等。
制备方法主要包括以下步骤：
1. 碳纤维预处理：将聚丙烯腈纤维进行纺丝、拉伸、热定型等处理，使其形成具有一定强度和结构的碳纤维。
2. 碳纤维表面处理：对碳纤维表面进行处理，以提高其与树脂基体的粘接性能。
常用的处理方法有表面活化、涂覆活性剂等。
3. 树脂基体制备：选择适当的树脂基体材料，按照一定的比例混合、搅拌、脱泡等工艺，制备成均匀的树脂基体。
4. 碳纤维预浸料制备：将碳纤维与树脂基体混合，使其充分浸润碳纤维，形成预浸料。
5. 预浸料成型：将预浸料放入模具中，进行压实、热固化等工艺，使其成型为所需的形状。
6. 碳纤维复合材料成型：通过压制、注塑、自动化纺织等工艺，将预浸料制备成所需的复合材料产品。
7. 后续处理：根据具体要求，对成型的CFRP进行修整、切割、表面处理等工艺，以满足产品的要求。
聚丙烯腈碳纤维用上浆剂
聚丙烯腈碳纤维用上浆剂聚丙烯腈碳纤维用上浆剂上浆是碳纤维经表面处理后收绕成卷成为碳纤维成品前的最后一道工艺工序。
上浆的主要作用是对碳纤维进行集束，类似黏合剂使碳纤维聚集在一起，改善工艺性能，便于加工，同时起到保护作用，减少碳纤维之间的摩擦，使其在后续收卷、包装、运输过程减少对纤维的损失。
通过对碳纤维进行上浆处理，在碳纤维表面形成的聚合物层还可以起到类似偶联剂作用，改善碳纤维和树脂之间化学结合，提高复合材料的界面性能。
碳纤维表面的聚合物还能改善炭纤维的浸润性能，便于树脂浸渍，减少复合材料的制备时间，提高复合材料的质量。
碳纤维生产过程中不同上浆剂、上浆工艺对碳纤维力学性能、加工工艺性能和复合材料力学有着重要影响。
5.4.1 上浆剂种类碳纤维上浆剂的品种很多，选择上浆剂需要综合考虑成膜性、对纤维的保护性能、环保性和成本等因素。
在上浆剂研制生产时就需要考虑与最终增强基体树脂的相容性，为碳纤维在复合材料中发挥其高强高模特性提供基础准备。
对于上浆剂主组分的选取，应根据相似相溶原理，选择与基体树脂材料类似的组分，比如环氧树脂基体选择环氧树脂系上浆剂，不饱和聚酯基体选择不饱和聚酯类上浆剂。
表5.19为东丽公司碳纤维上浆剂与不同树脂相容性。
表5.19 东丽公司上浆剂类型与不同树脂的相容性上浆剂类型13 4 5 6 F 9目前工业及研究中所采用的上浆剂种类很多，通常为多官能型分子量较低的聚合物，包括含羧基或者醚键的化合物、含酰胺基或酯基的化合物、双酚类化合物、多氧化乙烯（多）苯基醚类化合物、多元醇-脂肪酸酯类、环氧树脂类以及其改性化合物、聚氨酯为主成分的改性物、聚酰亚胺及其改性化合物等。
在最近的研究中，为了进一步改进碳纤维在复合材料制备过程的加工工艺性，研究人员尝试了微颗粒改性，如在常规上浆剂中加入硅酸铝、石墨、、云母、氧化铝、陶瓷等微颗粒，或者采用如碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅等进行改性，获得了一定的改性效果。
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
碳纤维制备
碳纤维制备碳纤维是一种高强度、高模量的材料，广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。
本文将介绍碳纤维的制备方法，包括聚丙烯腈纤维制备、氧化、炭化和表面处理等步骤。
一、聚丙烯腈纤维制备聚丙烯腈(PAN)是碳纤维的主要原料，其制备方法包括聚合法和共聚法。
其中，聚合法是将丙烯腈单体进行自由基聚合得到PAN，共聚法则是将丙烯腈与其他单体如甲基丙烯酸甲酯等进行共聚得到PAN。
PAN纤维的制备过程包括溶解、旋拉成型和拉伸等步骤。
首先将PAN 溶解在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中形成混合液，然后通过旋转成型将混合液挤出成为直径约为20微米的纤维。
接着对这些纤维进行拉伸处理，使其长度方向上的分子间距逐渐减小，形成有序结构，从而提高纤维的强度和模量。
二、氧化PAN纤维在空气中加热至200-300℃时会发生氧化反应，生成含有羰基和羟基等官能团的氧化PAN(OPAN)。
这些官能团可以增强碳纤维与基体之间的粘接力，并且在后续的炭化过程中有助于生成高质量的碳纤维。
三、炭化OPAN经过高温处理可以得到碳纤维。
炭化过程是在惰性气体(如氮气、氩气)或真空环境下进行的，一般分为两个阶段：低温炭化和高温炭化。
低温炭化是在600-1000℃范围内进行的，主要是去除OPAN中的非碳元素(如氧、水、氢等)，形成具有较高结晶度和较好机械性能的初级碳。
高温炭化则是在1500-3000℃范围内进行的，主要是进一步去除残留杂质和形成更完整的晶格结构，从而提高碳纤维的强度和模量。
四、表面处理为了提高碳纤维与基体之间的粘接力和防止表面氧化，需要进行表面处理。
常用的方法包括电化学氧化、等离子体处理和涂覆等。
电化学氧化是将碳纤维放入强酸中进行氧化处理，使其表面形成含有羟基和羰基等官能团的氧化物层。
这些官能团可以与基体上的官能团发生反应，形成强力键合。
等离子体处理是将碳纤维放入等离子体中进行表面活性化处理，使其表面变得更加亲水，从而提高粘接力。
涂覆是将一层薄膜涂覆在碳纤维表面，起到保护作用并且可以增加与基体之间的摩擦力。
聚丙烯腈基超细碳纤维毡的制备及其表征
化学试剂有限公司） ；高纯氮气 （ ． ９９ ９ ９％，上海 申
中工业气体有限公司） 。 ｘ一 线 衍 射 仪 （ ／ ｘ ２５ Ｃ， １ 射 ＤＭａ 一 ５ ０ Ｐ ３本
Ｒ Ｇ Ｋ ）， 微 量 注 射 泵 （４ ０ ０ ， ， Ｃ ｌ — ＩＡ Ｕ ７９ ０—００ ５ ｏ ｅ
美 国 Ｎｃｌ ） ｉ ｅ ，流 变 仪 ｏｔ （ Ｖ—ｍ ， Ｂｏ ｋ ｅ ，美 Ｄ ｒ ｆｌ ｏｉ ｄ
高压 嘉流 静 电发生器
维具有连续 、密实 、直径 分布均 匀等特 点 。近年 ， Ｙ ｕ ｇ［ 等用静 电纺丝制得 具有较好 电化学特性的 ｏｎ ７ １
收稿 日期 ：２０ －９ ０ 修 回 日期 ：２０ —０ １ ０９ ０— ４ ０９ １— ２
１ Ｐ Ａ ） Ｃ ，上海华东 试剂工 业供 销
织造布织物的专利 。
远远高于工业 上现 已商业化 的碳纤 维 ，但 它的实 际
强度很 低 ｉ ，不 利于 后续 的应用 。作为 高效 吸附 ａ ｒ ］ 材料活性碳纤维 的前躯体 ，超细碳 纤维 的强度对后
续的活化以及应用影 响很大 。 本论文 通过 静电纺 丝 、预 氧化 、碳化制备了不
研 究 论 文
聚丙烯腈基超 细碳纤维毡 的制备及其 表征
姜 正雄 ，余 阳 ，周 美 华 术 （ 华 大 学 环 境 科 学 与 工程 学 院 ，上 海 ２ １２ ） 东 ０ ６０
摘 要 ：采用静 电纺丝 法制备 了不 同黏 均 分子质量 （ １ 聚 丙烯腈 （Ａ ）超 细纤 维毡 ，并通过 ２０℃ ＭＪ的 ＰＮ ８ 预 氧化 和 ９ ０℃碳 化进 一 步 制备 超 细碳 纤维 毡 。讨 论 了 ０ 对 纤 维制 备 的影 响 ，发 现 Ｐ Ｎ的 眠 大 于 Ａ
聚丙烯腈基碳纤维及其应用
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。
碳纤维的制作工艺
碳纤维的制作工艺：
1.由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。
2.原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。
制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。
制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。
作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。
3.预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理（粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
4.碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500
到1700℃，粘胶纤维400到2000℃。
5.石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维3000到3200℃。
6.表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。
7.上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。
所得纤维具有各种不同的断面结构。
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是制备高品质碳纤维的主要原料之一。
该纤维具有高强度、高模量、高导电性和优异的耐高温性能，被广泛应用于高端航空、航天、汽车和体育器械等领域。
本文将介绍PAN基碳纤维的生产工艺。
1. 原料准备根据生产工艺要求，选择合适的聚丙烯腈原料。
将原料进行初步处理，去除杂质和水分，以确保生产过程中的纤维质量。
2. 聚合反应将经过准备的聚丙烯腈原料溶解在适当的溶剂中，加入聚合催化剂和其他添加剂，进行聚合反应。
反应温度和时间、反应条件等要求均需严格控制，以确保聚合品质量和纤维性能。
3. 细纤化将聚合物溶液经过细纤化处理，使聚合物分子链排列有序，形成纤维形态。
细纤化方法有湿法和干法两种，其中湿法多使用纺丝机或旋转杯法，而干法则多采用气流旋转杯法。
4. 洗涤和脱水将细纤化后的纤维进行多次洗涤，以去除残留的溶剂和其他杂质。
洗涤后进行脱水处理，以去除水分，为后续的碳化步骤做好准备。
5. 碳化将经过脱水处理的PAN基纤维置于高温炉中进行碳化。
碳化温度和碳化速率对纤维质量和性能有着极大的影响，要根据产品要求进行合理的控制。
6. 热处理将碳化后的纤维再次进行高温热处理，使其内部结构进一步改善，提高其力学性能和稳定性。
7. 修边和检测对制备完成的碳纤维进行修边处理，去除开口、裂纹等缺陷。
然后进行质量检测，检查其力学、热学、导电等性能是否符合要求。
8. 包装通过卷绕或缠绕等方式对碳纤维进行包装，以便于运输和使用。
总之，PAN基碳纤维生产工艺控制精度要求高，涉及多个关键步骤，每一个环节都需要精益求精，以确保产品质量和性能稳定。
在实际生产过程中，还需要根据产品品种和规格进行细致的调整和改进，以满足不同用户的需求。
聚丙烯腈基碳纤维电化学氧化表面处理研究
碳纤 维初始 样 品 ， 以英 国考 陶尔 （ Ｃ ｏ ｕ ｒ ｔ ａ ｕ ｌ ｄ ｓ ）
公 司聚丙 烯腈 （ Ｐ Ａ Ｎ） Ｔ ３ ０ ０级原 丝 为原料 ， 经过 吨
和并易 于控制 、 纤 维表 面处理 均匀 、 易于 工业化 而
得 以广 泛应 用 。
级 连续 预氧化 、 碳化 和表 面处理 制得 的碳 纤维 ； 碳 纤 维标 准 样 品 ， 经 过 表 面 处 理 的东 丽 Ｔ ３ ０ ０碳 纤 维； 碳 酸氢铵 （ Ｎ Ｈ Ｈ Ｃ Ｏ ） ， 沧 州化 学试 剂 厂 生产 ；
文章 以碳酸 氢 铵溶 液 为 电解 液 ， 对碳 纤 维 进
行电化学氧化表面处理 ， 运用 ｘ射线光 电子能谱 （ Ｘ Ｐ Ｓ ） 、 扫 描 电子 显微镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 、 力学 性 能分 析等
手段 ， 研究 上述 电化学 氧 化 表 面处 理 工 艺 参 数对
碳纤 维及 其复 合材 料 力 学 性 能 的影 响 ； 表 面 处理 前后 碳纤 维表 面形 貌 变 化 、 表 面 处理 前 后 碳 纤 维 增 强热 固性树 脂复合 材料 断面 形貌 和表 面形貌 的
季春 晓 常 丽 周新露 李 昌俊
（ 中国石 化上 海石 油化 工股份 有限公 司， ２ ０ ０ ５ ４ ０ ）
摘 要 ： 介绍 了电化学氧化法聚丙烯腈基碳 纤维表面处 理工艺 ， 研 究了不同表 面处 理工艺对 碳纤维及碳
纤维增强热固性树脂复合材料力学性能的影响 。研究结果 表 明采用 碳酸氢铵 为电解 液进行 电化学氧化表 面处理的最佳工艺条件为 ： 电解液质量分数 ９ ． ５ ％、 电流密度 １ ． ２ ｍ Ａ ／ ｃ ｍ 、 电解时 间 ９ ０ ｓ 、 电解 温度 ３ ４ 。 经过 电化学氧化表面处理 的碳纤维表面的沟槽变得更深 、 更宽 ， 树脂可 以牢 固地嵌 入纤维表面 的沟槽 之中 ， 且碳纤维与树脂的黏结性越好 ， 复合材料的 Ｉ Ｌ Ｓ Ｓ越大 ； 碳纤维表面 大量 的含氧官能团和含氮 官能 团有利 于 改善碳纤维增强热固性树脂复合材料的力学性 能， 碳纤维 Ｉ Ｌ Ｓ Ｓ可达到 ９ ０ ＭＰ ａ以上 。 关键词 ： 碳纤维 电化学氧化 表面处理 形貌 表面化学分析
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
纺丝过程中的影响因素包括纺丝液性质、喷丝头结构、拉伸条件、固化条件等。这些因素会影响原丝 的形态结构、取向度、结晶度等，进而决定碳纤维的力学性能、热稳定性等。因此，在纺丝过程中需 要对这些因素进行严格控制和优化。
预氧化与碳化工艺
04
预氧化过程及机理探讨
预氧化过程
将聚丙烯腈(PAN)纤维在空气或氧气 中进行低温热处理，使其部分氧化， 形成稳定的梯形结构。
机理探讨
预氧化过程中，PAN纤维中的氰基(-CN) 逐渐转化为羧基(-COOH)和酰胺基(CONH2)，同时伴随着分子链的交联和 环化反应，从而形成耐热的梯形结构。
碳化过程及温度控制策略
碳化过程
在惰性气氛（如氮气）中，将预氧化 后的纤维进行高温处理，使其进一步 碳化，形成碳纤维。
温度控制策略
碳化过程中需要精确控制温度，通常 采用多段升温的方式，以确保纤维在 碳化过程中的结构稳定性和性能均匀 性。
设备选型与生产线布
05
局设计
关键设备选型依据及参数设置
聚合釜
选择高效、节能、操作简便的聚 合釜，其容量和搅拌速度等参数 需根据生产规模和产品性能要求
确定。
纺丝机
选用具有高速、稳定、连续化生产 能力的纺丝机，纺丝速度、温度、 压力等参数对纤维性能有重要影响， 需精确控制。
氧化碳化炉
选择能够实现高温、高压、气氛控 制精确的氧化碳化炉，炉内温度、 气氛组成和压力等参数是影响碳纤 维性能的关键因素。
原因分析与追溯
针对不合格品进行原因分析，追溯问题根源，为后续改进措施提供依 据。
纠正与预防措施
根据原因分析结果，制定相应的纠正和预防措施，防止类似问题再次 发生。
持续改进与提升
聚丙烯腈碳纤维的基本工艺流程
聚丙烯腈碳纤维的基本工艺流程The basic process of producing polyacrylonitrile carbon fiber involves several important steps. First, the raw material polyacrylonitrile is spun into fibers in a process known as spinning. This step involves extruding the polymer through spinnerets to form continuous filaments.这个过程通常需要非常高的温度和压力来确保纤维的强度和均匀性。
After spinning, the next step is stabilization. Stabilization is a crucial process where the oxidized fibers are heated in an oxygen-rich environment to remove any remaining volatile components. This step helps to set the structure of the fibers and prevent them from shrinking or deforming during the subsequent steps in the process.固化步骤还可以帮助提高纤维的热稳定性和耐热性。
Following stabilization, the fibers undergo carbonization. Carbonization is the process of heating the stabilized fibers to extremely high temperatures in an inert atmosphere, typically above 1000 degrees Celsius. This causes the carbon atoms in the fiber to align and rearrange, transforming the fibers into carbonized materialwith high strength and stiffness.碳化可以提高纤维的结晶度和结构有序性，从而改善其力学性能。
pan基碳纤维生产的流程
pan基碳纤维生产的流程一、原料准备阶段在pan基碳纤维的生产过程中，最基本的原料就是聚丙烯腈（PAN）纤维。
首先，需要对PAN纤维进行预处理，包括去除杂质、切断成短纤维等。
然后，将处理后的PAN纤维进行浸渍，将其浸入预先配制好的聚合物溶液中，使其完全均匀地吸收聚合物。
二、纺丝成型阶段在纺丝成型阶段，将浸渍后的PAN纤维经过拉伸、干燥等工艺处理，使其形成连续的纤维束。
首先，通过纺丝机将浸渍后的PAN纤维拉伸成细丝。
然后，将细丝进行拉伸，使其达到预定的线性密度。
最后，通过热风干燥将纤维束中的水分蒸发掉，使其形成干燥的纤维束。
三、氧化阶段纤维束经过纺丝成型后，需要进行氧化处理。
氧化是将纤维束暴露在高温高氧气氛中，使其氧化成为氧化纤维束。
首先，在氧化炉中将纤维束进行预热处理，使其达到适宜的氧化温度。
然后，将预热后的纤维束送入氧化炉中，使其暴露在高温高氧气氛中进行氧化反应。
在氧化过程中，纤维束中的杂质和非氧化部分会被氧化掉，形成氧化纤维束。
四、炭化阶段氧化纤维束经过氧化处理后，需要进行炭化处理。
炭化是将氧化纤维束暴露在高温无氧气氛中，使其炭化成为炭纤维束。
首先，将氧化纤维束送入炭化炉中，升温至炭化温度。
然后，将炭化炉中的气氛改为无氧气氛，使纤维束暴露在无氧气氛中进行炭化反应。
在炭化过程中，纤维束中的非炭化部分会被炭化掉，形成炭纤维束。
五、热处理阶段炭纤维束经过炭化处理后，需要进行热处理。
热处理是将炭纤维束暴露在高温高压气氛中，使其晶化并增强强度。
首先，将炭纤维束送入高温高压炉中，升温至热处理温度。
然后，将炉中的气氛控制在高温高压状态下进行热处理。
在热处理过程中，纤维束中的结晶度和强度会得到提高，从而增强纤维的力学性能。
六、加工成品阶段经过热处理后，炭纤维束可以进行进一步的加工，制成各种形状的成品。
首先，将炭纤维束进行切割和分离，得到独立的碳纤维。
然后，根据需要，将碳纤维进行纺织、编织、压制等加工工艺，制成碳纤维纱线、碳纤维布、碳纤维板等成品产品。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理之阳早格格创做碳纤维动做一种具备下强度下模量的进步资料，常常需要与其余基体资料举止复合造备成复合资料举履止用.由于碳纤维自己通过1300℃以上的下温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具备较强的惰性，与下分子树脂等基体举止复适时，纤维与树脂的分离较好，效率纤维劣同力教本能的收挥，并最后效率复合资料的本能.果此正在碳纤维造备历程中，常常需要对付碳纤维举止表面处理，减少其表面的活性基团，巩固与树脂等基体之间的分离..1 表面处理要领由于碳纤维表面处理对付其复合资料本能普及的效率，果此表面处理要领的钻研也是碳纤维造备技能钻研的重面.通过多年的钻研，科研处事者启垦了多种对付碳纤维举止表面处理要领，表列出了不妨对付碳纤维举止表面处理的分歧要领及其效率果素.正在那些处理要领中，暂时应用正在工业化死产上的基础上皆是电解氧化法.表碳纤维表面处理要领战效率果素序号典型处理要领效率果素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、气氛、火蒸气/气氛、NO/气氛时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比率、3 电解氧化氨火、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等火溶液时间、电压、电流稀度、电解量浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电激励散合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 散合物电重积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马去酸酐共散物时间、电压、电流、溶剂、共散物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性散氨酯冰乌树脂组成含量、涂覆量8 下温气相重积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石朱晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面散合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、同氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、气氛、SiC涂层、AN散合时间、真空度、功率、震动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维表露正在气相氧化剂(如气氛、氧等)中，正在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化死成一些活性基团(如羟基战羧基).气相氧化处理不妨灵验普及碳纤维与基体间的界里剪切强度.如将碳纤维正在450℃的气氛气氛中氧化10分钟，所造备的复合资料的剪切强度战推伸强度皆有所普及；采与浓度为0.5-15mg/L的臭氧连绝导进碳纤维表面处理炉中举止表面处理，碳纤维的界里剪切强度可达78-105MPa；氧气气氛中用卤素、二氧化硫等搞压造剂，也可灵验革新表面个性.气相氧化法的便宜是较便当的正在线配套使用，处理速度快，缺面是对付碳纤维的处理匀称性不敷理念，工艺条件苛刻，统造艰易，简单对付碳纤维力教本能爆收较大的益伤，而且有毒有害气体的使用对付环境效率较大..1.2 液相氧化法液相氧化法是利用强氧化性液体大概者溶液，如硝酸、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等对付碳纤维举止表面处理，使其表面爆收羧基、羟基、羰基等含氧基团，进而达到巩固与树脂界里分离的脚法.由于液相氧化法较气相氧化法较为温战，氧化程度较简单统造，阻挡易使纤维爆收太过氧化效率其力教本能，是钻研较多的要领之一.然而该要领由于处理时间较少，很易与碳纤维死产线匹配，通时常使用于碳纤维的间歇表面处理，而且强氧化性液体对付设备腐蚀宽重，也不利于从碳纤维中扫除搞洁..1.3 催化氧化法催化氧化法是利用金属盐类对付碳纤维举止催化氧化，该要领不妨灵验普及表面处理速度，然而由于碳纤维与催化剂很易匀称交战，其氧化匀称性受到效率，而且也存留催化剂扫除艰易的问题.该要领基础只停顿正在钻研阶段..1.4 散合物涂层法电激励散合物涂层、散合物电重积涂层、表面散合物接枝战表面涂覆等要领皆是正在碳纤维表面引进一薄层散合物膜，进而达到与基体树脂匹配的效验.其中电激励散合物涂层、散合物电重积涂层皆是利用碳纤维自己具备导电性的个性，正在电场的效率下正在碳纤维表面激励散合大概者重积散合物，进而引进活性基团，普及与基体树脂的界里分离.表为分歧涂层典型对付碳纤维复合资料本能的效率.通过电化教涂层改性后，碳纤维复合资料的层间剪切强度战抗直强度皆比已处理时有明隐普及，而且正在一些条件下还不妨普及抗冲打强度.然而是那些要领自己本去不真真改变碳纤维表面结构，果此基础不会对付碳纤维力教效率爆收明隐效率.共时根据基体树脂的个性采用符合的单体大概者散合物，不妨较佳天达到普及复合资料本能的脚法.涂层薄度战匀称性统造是那些要领的易面.表电化教涂层对付碳纤维复合资料本能的效率涂层典型层间剪切强度/MPa抗冲强度/kJ/m2抗直强度/MPa马去酸酐/苯乙烯=1：1 68 57 1100 马去酸酐/苯乙烯=2：1 59 72 1100 马去酸酐/苯乙烯=3：1 62 56 1000 马去酸酐/己烯=1：1 61 42 1000 马去酸酐/十八烯=1：1 52 44 910 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量50万）48 86 900 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量75万）59 130 950 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量125万）54 140 860 已处理34 63 780下温气相重积是正在下温条件下将碳化硅、石朱晶须等重积到碳纤维表面，所重积的物量对付树脂起到物理锚定效率，进而减少碳纤维与树脂之间的分离.该要领不妨小批量处理碳纤维，然而真动工业化死产较为艰易..1.5 等离子体法等离子体是具备脚够数量而电荷数近似相等的正背戴电粒子的物量汇集态.用等离子体氧化法对付纤维表面举止改性处理，是指利用非散合性气体对付资料表面举止物理战化教效率的历程.采与矮温等离子大概微波等离子对付碳纤维举止表面处理也是止之灵验的要领，该要领的个性是气一固反应，无传染，处理时间较短，常常几秒钟便不妨达到所需处理效验.等离子体所用气体不妨是活性气体（如氧、氨气、一氧化碳等），也不妨是惰性气体，如氦气、氮气战氩气等.时常使用的氧等离子体具备下能下氧化性，与碳纤维表面碰碰时，不妨将碳纤维微晶棱角、边沿战缺陷等处的碳碳单键结构氧化成含氧活性基团.表为分歧等离子体对付碳纤维处理效验的比较，证明氧等离子体较惰性气体等离子体的劣势.然而是，等离子体的爆收需要一定的真空环境，所以设备搀纯，连绝、宁静战万古间处理具备一定的艰易.表分歧等离子体对付碳纤维处理效验比较等离子体羰基含量酮基含量醚键含量表面碳含量/%表面氧含量/%表面氮含量/%ILSS/MPa氧等离子体氮等离子体氩等离子体.1.6 电解氧化法电解氧化法也成为阳极氧化法，是将碳纤维动做阳极，石朱板动做阳极，正在电解量火溶液中施加曲流电场举止电解氧化处理，使碳纤维表面爆收计性官能团的处理要领.电化教氧化反应条件慢战, 处理时间短，工艺设备较为简朴，可与碳纤维死产线贯串战匹配真止工业化死产.通过统造电解温度、电解量含量战含量、电流稀度等工艺条件不妨真止对付氧化程度以及纤维表面官能团天采用性统造.电解氧化法是暂时碳纤维工业化死产中被广大应用的要领.图9为阳极氧化法对付碳纤维举止表面处理的工艺过程示企图.图9 阳极氧化法工艺过程示企图正在阳极氧化表面处理时由于以碳纤维自己动做阳极，果此正在施加一定电流后，电解液中含氧阳离子正在电场效率下背碳纤维移动，正在其表面搁电死成新死态氧，既而使其氧化, 死成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 共时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀,使得碳纤维自己的表面物理结构爆收变更.采与电化教氧化法, 合理采用电化教氧化拆置是包管真施碳纤维有良佳的表面处理效验的前提条件.正在采用电化教氧化拆置时,要思量的果素包罗阳极的资料、电解量战电流的采用.阳极资料既要导电, 又要耐腐蚀.石朱板具备良佳的导电本能战耐腐蚀性, 正在工业化死产中被广大应用.电解量可用酸、碱大概盐类，如硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等.对付于酸性电解量，火被电解死成的氧本子被碳纤维表面的不鼓战碳本子吸附，并与相邻吸附氧的碳本子相互效率而爆收二氧化碳，进而使石朱微晶被刻蚀.边沿与棱角的碳本子数目缩小，是表面官能团减少的一个要害果素；对付于碱性电解量，氢氧根离子被碳纤维表面的活性碳本子吸附，并与相邻吸附氢氧根的碳本子相互效率而死成氧，进而减少了表面活性碳本子数目.阳极表面处理常常采与曲流电，也有报导采与接流电举止处理，较小的电量不妨得到灵验的处理效验.表为分歧电解量正在10mA/mg电流下阳极氧化处理10分钟后碳纤维表面弛力、极性的变更.表分歧电解量系统对付阳极氧化表面处理效验的效率电解量γ/mN/m γp/mN/m γd/mN/m X p已处理K2CO3/KOHK2HPO4/KOHKHCO3/KOHKH2PO4/KOHNaHSO4/NaOHKHSO4/KOHK2SO4/KOHKNO3/KOHKClO4/KOH.1.7 下能量电子辐照近些年去，下能量电子辐照技能也被用去动做碳纤维表面处理的脚法.下能量电子辐照常常采与Co60γ射线，辐照剂量从几十到几百kGy.由于γ射线具备极下能量（1.17战1.33MeV ）,具备极强的脱透性，果此不妨正在所有温度下无需催化剂存留条件下正在气、固、液资料中激励化教反应，具备无传染、节能等便宜，而且对付碳纤维还不妨正在支卷后举止，大概者对付碳纤维织物举止间接处理，而无需思量织物大小、形状、薄度等.图5.40为利用γ射线对付碳纤维举止处理的拆置示企图.图1为分歧剂量γ射线辐照后碳纤维的表面形貌变更，不妨瞅出辐照后碳纤维表面形貌爆收了很大变更，符合剂量的辐照使得纤维表面沟槽变细变多，有好处IFSS的普及.图5.40γ射线处理碳纤维拆置示企图图1 分歧剂量γ射线处理后碳纤维的表面形貌.2 表面处理效验评介.2.1 表面形貌分解碳纤维通过表面处理后，由于物理、化教及涂层的效率，其表面形貌必定爆收改变.扫描电子隐微镜（SEM）不妨比较曲瞅天反应碳纤维表面处理后表面形貌的变更.采与本子力隐微镜（AFM）不妨瞅察到1μm2天区碳纤维三维坐体形态结构，共时不妨给出表面细糙度的统计数据.图2 为分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌，不妨创造通过表面处理后，碳纤维表面沟槽有所缩小.通过AFM谱图的表面细糙度分解，通过电化教氧化表面处理后，纤维的表面细糙度由于物理化教的刻蚀效率有明隐落矮（图3）.图2 分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌.图3碳纤维的表面AFM图（a:已处理b:碳酸氢铵处理c: 碳酸铵处理d: 磷酸铵处理）.2.2 表面官能团分解通太过歧表面处理的碳纤维，其表面含氧官能团主要有羧基、羟基战羰基.碳纤维表面的含氧官能团不妨用X-射线电子能谱（XPS）、热得重分解（TGA）、电位滴定、酸碱滴定等举止分解.XPS不妨检测碳纤维表面含氧官能团的种类、浓度等，是一种较为敏捷、稳当的要领.普遍通过对付XPS谱图的分峰处理，以O1s/C1s去评介处理效验，共时通太过峰处理，还不妨得到羟基、羧基、羰基等的相对付含量.表为通太过歧条件处理后碳纤维C、O、N等元素的摩我分数，不妨瞅出通过处理后通过表面处理后，纤维表面C 含量落矮，O战N含量普及，O/C战N/C均普及.图4为碳纤维表面XPS谱图及其分峰示企图，其中284.6eV为C-C 的分离能，286.6eV为C-OH的分离能，288eV为C=O的分离能，291为羧基的分离能.碳纤维由于戴有含氧官能团，果此正在真空大概者惰性气氛下，碳纤维的热得重与含氧官能团的数量稀切相闭.普遍正在300-600℃下得重为羧基裂解爆收的CO2，正在600-1000℃下得重为羟基、羰基裂解爆收CO，果此通过TGA分解，不妨定性分解表面处理效验.表碳纤维表面C、O、N等元素摩我分数处理时间C1s/% O1s/% N1s/% O/C N/C已处理90s120s150s图4 表面处理后碳纤维XPS谱图及分峰处理.2.3 表面微晶结构分解碳纤维经表面处理后，由于纤维表层氧等的分离以及刻蚀效率，纤维表层石朱化程度落矮，石朱微晶变小.由于推曼光谱分解中激光对付碳纤维的脱透深度为几十纳米，对付纤维举止推曼光谱尝试也是灵验表征碳纤维表层石朱化程度变更.通过表面处理之后, D 峰战G峰均有一定程度的分启，半下宽减小, 而且二峰的推曼峰位背下波数沉微偏偏移（图5）.图5 表面处理后碳纤维的推曼光谱及其分峰处理XRD是钻研碳纤维汇集态结构最时常使用的要领.将碳纤维磨成粉终举止XRD扫描可正在一定程度表征由于纤维表层石朱晶体结构变更引起的完全晶体结构的变更，然而那样无疑落矮了尝试的敏捷度.利用XRD表征碳纤维表面处理效验需要采与其纤维附件对付纤维完全举止XRD尝试，通过比较处理前后的纤维晶体结构变更去间接衡量处理效验..2.4 表面能分解碳纤维表面处理后，表面能减少，能隐著革新碳纤维与火、有机溶剂以及基体树脂之间的潮干性，使交战角缩小.表面能的测定常常通过测定交战角，再根据极化圆程去预计.那种要领所用仪器简朴、支配烦琐，是测定碳纤维表面处理后潮干性变更的一种灵验要领.表为表面处理前后碳纤维浸润性战交战角的变更.图6为分歧表面处理后碳纤维的交战角变更，对付于已处理的碳纤维战石朱纤维，测得的交战角分别为104战115o.随表面处理时间延少，潮干性普及，交战角缩小.表碳纤维表面浸润性变更已处理等离子体阳极氧化浸润删量/mg交战角θ/o图6 分歧表面处理后碳纤维表面交战角的变更.2.5 与树脂分离本能分解碳纤维表面处理效验最间接灵验的表征要领是层间剪切强度（ILSS）大概者界里剪切强度（IFSS）的尝试.碳纤维的层间剪切强度尝试要领按国标GB3357-82举止，尝试样品纤维体积含量60%安排，尺寸为少*宽*薄=10mm*5mm*2mm，尝试跨距5mm，加载速度10mm/min，每个样品尝试10次，与仄衡值.ILSS预计公式为：其中P为断裂背荷，b为样品宽度，d为样品薄度.IFSS数值与所用树脂体系、纤维体积含量、单背板纤维排布、清闲率等稀切相闭.采与环氧6101树脂体系，常常碳纤维的ILSS应达到90MPa以上，而采与环氧AG80体系，ILSS则应正在120MPa以上.该要领是对付碳纤维处理效验最间接灵验的评介，然而对付样品造备央供较下，需要碳纤维样品量较多.界里剪切强度IFSS是其余一种不妨曲瞅表征碳纤维表面处理效验的参数.普遍以纤维单丝形式举止尝试，并利用数教模型预计得到纤维战树脂之间的IFSS.尝试要领有单丝断裂法、单丝拔出法、微脱粘法、单丝顶出法等，那些要领的便宜是所需样品量少，然而尝试得到的IFSS值受样品造备、数据剖析等的效率较大，分歧要领得到的数值好别较大.单丝断裂法是将一根纤维埋进树脂中造成推伸试样，通过对付试样举止推伸，纤维正在试样中爆收碎裂，利用纤维强度战碎裂少度预计IFSS.该要领是鉴于单纤维复合资料正在蔓延历程中，当复合资料蔓延率达到纤维断裂蔓延率时，纤维爆收断裂.当纤维-基体界里爆收益害，推伸应力将不克不迭传导到纤维上，纤维断裂终止，断裂少度达到鼓战时纤维少度为临界少度.界里剪切强度由纤维临界少度、纤维曲径战纤维的推伸强度预计得到.单丝拔出法是将纤维单丝一端埋进树脂中，利用单丝推伸设备将纤维从树脂中拔出，通过拔出应力以及纤维曲径、埋进深度预计IFSS.单丝拔出法的样品造备极为闭键，过少的包埋深度常引导纤维正在受推历程中自己断裂而不是纤维从基体中拔出, 所以埋置深度一定要小于rσ/(2τ) , 其中σ为纤维抗推强度, r为纤维半径,τ为界里剪切强度，而太短又效率尝试的准确性.微脱粘法是将树脂滴正在碳纤维单丝上产死树脂微球，利用钳心卡住树脂微球而对付纤维举止推伸处理，使纤维从微球中脱粘拔出.正在脱黏历程中沿碳纤维/树脂基体产死的界里目标上爆收剪切应力，界里剪切强度预计公式为τ=F/πD f Le.式中τ为复合资料界里剪切强度，F为小球爆收脱黏时最大载荷，D f为碳纤维曲径，Le为埋进少度.埋进少度过少，纤维/树脂间剪切强度超出了碳纤维单丝强度，此时碳纤维爆收断裂与代微球脱黏成为主要的益害办法；而埋进少度过矮，树脂基体正在碳纤维表面铺展时产死的微球曲径小，上下剥离刀片产死的钳心易以夹持，尝试时易滑脱.果此，使用微脱黏法测界里剪切强度时，采用尝试微球的曲径宜统造正在40～80 μm.利用微脱黏法测得复合资料的界里剪切强度数值具备较大的分别性，那与纤维表面产死树脂微球的半月板天区、脱黏历程中上下刀片产死的钳心及碳纤维表面形态结构等果素有闭.单丝顶出法使用脆硬的金刚刚石压头将碳纤维从树脂中压出，界里剪切强度预计公式为τ= F/ ( 2πRL )，其中τ为复合资料界里剪切强度，F为顶出载荷，R为碳纤维半径，L 为顶出距离.正在顶出历程中思量的果素较多（如残存应力、摩揩果子等），存留主要问题是顶出历程中正在笔曲于滑移目标爆收的侧背力数值易以预计..3 表面处理对付碳纤维本能的效率碳纤维通过表面处理后最间接的效率是普及了纤维与树脂间的界里分离本能，不妨使得复合资料的剪切强度有明隐普及.常常碳纤维通过表面处理后，由于物理化教的刻蚀等本果，碳纤维强度会有所落矮，特天是正在处理程度较下时，纤维强度下落明隐.也有报导通过符合表面处理后，由于表面刻蚀使得纤维表面缺陷尺寸缩小，碳纤维强度不妨有一定普及.碳纤维的表面处理常常对付模量基础不效率.对付与阳极氧化表面处理，由于碳纤维正在阳极氧化历程中动做阳极，通电时纤维表面匀称搁出氧气，随电流稀度减少，相映的氧气搁出量减少使碳纤维上的单薄面受到刻蚀，纤维强度出现落矮.表为碳纤维通过阳极氧化后单丝强度及品量变更.电流稀度小于5mA/cm2时，纤维强度基础稳定，电流稀度继承减少，纤维强度有一定下落.碳纤维通过表面处理后，纤维品量出现耗费，随着电流稀度的普及，品量益坏删大.表碳纤维通过阳极氧化后的单丝强度及品量变更电流稀度/mA/cm2推伸强度/GPa CV/% 品量益坏/%0 0510利用等离子体举止表面处理使得碳纤维强度普及有较多报导.表为几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维本能的变更.等离子体表面处理后碳纤维强度普及大概是由于纤维表面细晶化效率及表面缺陷细化的截止.表几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维推伸本能样品推伸强度/MPa 断裂伸少/%Hercules allylcyanide 100W,5min 3460Hercules allylcyanide 200W,5min 3430Hercules allylcyanide 300W,5min 3780Grafil untreated 3340Grafil allylcyanide 100W,5min 3820Grafil allylcyanide 200W,5min 3950Grafil allylcyanide 300W,5min 3650Grafil xylene/air/argon 200W,20min 3350碳纤维通过表面处理后其电本能也会所变更.由于通过表面处理后，纤维中有一部分碳元素被氧化成羟基、羧基战羰基.氧本子上戴有部分背电荷，而碳本子上戴有部分正电荷.戴有正电荷的碳本子能俘获电子，对付电子的迁移有阻拦效率，进而落矮碳纤维的导电性.。
聚丙烯腈基碳纤维生产工艺
聚丙烯腈基碳纤维生产工艺聚丙烯腈基碳纤维生产工艺可以简单分为以下几个步骤：原料准备、聚合、纺丝、氧化、炭化和后处理。
首先，原料准备是生产过程的第一步。
原料主要包括聚丙烯腈、聚合物助剂和纺丝助剂等。
这些原料需要经过筛分、洗涤和干燥等处理，确保纤维的质量。
接下来是聚合的过程。
将聚丙烯腈与聚合物助剂和溶剂混合，并由聚合剂催化，进行聚合反应。
聚丙烯腈的均聚度和聚合温度会影响最终纤维的力学性能和结构特点。
然后是纺丝过程。
聚合完成后，将溶剂除去，得到聚合物纤维化。
纺丝可以通过湿法或干法进行。
湿法纺丝是将聚合物溶解在溶液中，然后通过喷射、旋转或拉丝等方法将溶液拉伸成细丝。
干法纺丝是将聚合物直接熔融，并通过气流将熔融聚合物拉丝。
氧化是将纺丝得到的聚合物纤维经过热氧化处理。
在高温下，聚丙烯腈纤维会氧化成高分子含氮的纤维，氧化反应可以提高纤维的热稳定性和加工性能。
炭化是将经过氧化的聚丙烯腈纤维经过高温处理，使其转变为碳纤维。
炭化过程是在非氧化条件下进行的，通常会使用一定的温度和保温时间来控制炭化程度。
炭化反应可以使纤维中的非碳成分脱离，最终得到高纯度的碳纤维。
最后是后处理。
经过炭化后的碳纤维需要经过表面处理，包括浸渍、热处理和机械加工等。
浸渍是通过浸泡碳纤维在树脂浆料中，以提高纤维的强度和刚度。
热处理是通过高温处理，改变纤维的晶体结构和性能。
机械加工则是将碳纤维进行切割、编织、缠绕等加工，使其符合具体的使用要求。
以上是聚丙烯腈基碳纤维生产工艺的主要步骤，每个步骤都需要严格控制参数和条件，以确保最终产品的质量和性能。
- 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、"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、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)。
碳纤维表面处理碳纤维作为一种具有高强度高模量的先进材料，通常需要与其他基体材料进行复合制备成复合材料进行使用。
由于碳纤维本身经过1300℃以上的高温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具有较强的惰性，与高分子树脂等基体进行复合时，纤维与树脂的结合较差，影响纤维优异力学性能的发挥，并最终影响复合材料的性能。
因此在碳纤维制备过程中，通常需要对碳纤维进行表面处理，增加其表面的活性基团，增强与树脂等基体之间的结合。
5.3.1 表面处理方法由于碳纤维表面处理对其复合材料性能提高的作用，因此表面处理方法的研究也是碳纤维制备技术研究的重点。
经过多年的研究，科研工作者开发了多种对碳纤维进行表面处理方法，表5.11列出了可以对碳纤维进行表面处理的不同方法及其影响因素。
在这些处理方法中，目前应用在工业化生产上的基本上都是电解氧化法。
表5.11 碳纤维表面处理方法和影响因素序号类型处理方法影响因素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、空气、水蒸气/空气、NO/空气时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/ H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比例、3 电解氧化氨水、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等水溶液时间、电压、电流密度、电解质浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电引发聚合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 聚合物电沉积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马来酸酐共聚物时间、电压、电流、溶剂、共聚物离子浓度7 表面涂覆PVA、PVC、PAN、硅烷物，硬性聚氨酯炭黑树脂组成含量、涂覆量8 高温气相沉积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石墨晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面聚合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、异氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、空气、SiC涂层、AN聚合时间、真空度、功率、流动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间5.3.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、氧等)中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。
气相氧化处理可以有效提高碳纤维与基体间的界面剪切强度。
如将碳纤维在450℃的空气气氛中氧化10分钟，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有所提高；采用浓度为0.5-15mg/L的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉中进行表面处理，碳纤维的界面剪切强度可达78-105MPa；氧气气氛中用卤素、二氧化硫等做抑制剂，也可有效改善表面特性。
气相氧化法的优点是较方便的在线配套使用，处理速度快，缺点是对碳纤维的处理均匀性不够理想，工艺条件苛刻，控制困难，容易对碳纤维力学性能产生较大的损伤，并且有毒有害气体的使用对环境影响较大。
5.3.1.2 液相氧化法液相氧化法是利用强氧化性液体或者溶液，如硝酸、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等对碳纤维进行表面处理，使其表面产生羧基、羟基、羰基等含氧基团，从而达到增强与树脂界面结合的目的。
由于液相氧化法较气相氧化法较为温和，氧化程度较容易控制，不易使纤维产生过度氧化影响其力学性能，是研究较多的方法之一。
但该方法由于处理时间较长，很难与碳纤维生产线匹配，通常用于碳纤维的间歇表面处理，而且强氧化性液体对设备腐蚀严重，也不利于从碳纤维中清除干净。
5.3.1.3 催化氧化法催化氧化法是利用金属盐类对碳纤维进行催化氧化，该方法可以有效提高表面处理速度，但由于碳纤维与催化剂很难均匀接触，其氧化均匀性受到影响，并且也存在催化剂清除困难的问题。
该方法基本只停留在研究阶段。
5.3.1.4 聚合物涂层法电引发聚合物涂层、聚合物电沉积涂层、表面聚合物接枝和表面涂覆等方法都是在碳纤维表面引入一薄层聚合物膜，从而达到与基体树脂匹配的效果。
其中电引发聚合物涂层、聚合物电沉积涂层都是利用碳纤维本身具有导电性的特点，在电场的作用下在碳纤维表面引发聚合或者沉积聚合物，从而引入活性基团，提高与基体树脂的界面结合。
表5.12为不同涂层类型对碳纤维复合材料性能的影响。
经过电化学涂层改性后，碳纤维复合材料的层间剪切强度和抗弯强度都比未处理时有明显提高，并且在一些条件下还可以提高抗冲击强度。
但是这些方法本身并不真正改变碳纤维表面结构，因此基本不会对碳纤维力学影响产生明显影响。
同时根据基体树脂的特点选择合适的单体或者聚合物，可以较好地达到提高复合材料性能的目的。
涂层厚度和均匀性控制是这些方法的难点。
表5.12 电化学涂层对碳纤维复合材料性能的影响涂层类型层间剪切强度抗冲强度抗弯强度/MPa /kJ/m/MPa马来酸酐/苯乙烯=1：1 68 57 1100马来酸酐/苯乙烯=2：1 59 72 1100马来酸酐/苯乙烯=3：1 62 56 1000马来酸酐/己烯=1：1 61 42 1000马来酸酐/十八烯=1：1 52 44 910马来酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量50万）48 86 900马来酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量75万）59 130 950马来酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量125万）54 140 860未处理34 63 780 高温气相沉积是在高温条件下将碳化硅、石墨晶须等沉积到碳纤维表面，所沉积的物质对树脂起到物理锚定作用，从而增加碳纤维与树脂之间的结合。
该方法可以小批量处理碳纤维，但实施工业化生产较为困难。
5.3.1.5 等离子体法等离子体是具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。
用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理，是指利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。
采用低温等离子或微波等离子对碳纤维进行表面处理也是行之有效的方法，该方法的特点是气一固反应，无污染，处理时间较短，通常几秒钟就可以达到所需处理效果。
等离子体所用气体可以是活性气体（如氧、氨气、一氧化碳等），也可以是惰性气体，如氦气、氮气和氩气等。
常用的氧等离子体具有高能高氧化性，与碳纤维表面碰撞时，可以将碳纤维微晶棱角、边缘和缺陷等处的碳碳双键结构氧化成含氧活性基团。
表5.13为不同等离子体对碳纤维处理效果的比较，说明氧等离子体较惰性气体等离子体的优势。
但是，等离子体的产生需要一定的真空环境，所以设备复杂，连续、稳定和长时间处理具有一定的困难。
表5.13 不同等离子体对碳纤维处理效果比较等离子体羰基含量酮基含量醚键含量表面碳含量/%表面氧含量/%表面氮含量/%ILSS/MPa氧等离子体 2.72 6.05 7.91 84.6 12.9 2.6 82.4 氮等离子体 2.95 5.00 8.60 88.4 8.6 3.0 71.7 氩等离子体 2.96 5.40 8.30 88.3 4.8 7.0 69.6 5.3.1.6 电解氧化法电解氧化法也成为阳极氧化法，是将碳纤维作为阳极，石墨板作为阴极，在电解质水溶液中施加直流电场进行电解氧化处理，使碳纤维表面产生活性官能团的处理方法。
电化学氧化反应条件缓和, 处理时间短，工艺设备较为简单，可与碳纤维生产线衔接和匹配实现工业化生产。
通过控制电解温度、电解质含量和含量、电流密度等工艺条件可以实现对氧化程度以及纤维表面官能团地选择性控制。
电解氧化法是目前碳纤维工业化生产中被广泛应用的方法。
图5.39为阳极氧化法对碳纤维进行表面处理的工艺流程示意图。
图5.39 阳极氧化法工艺流程示意图在阳极氧化表面处理时由于以碳纤维本身作为阳极，因此在施加一定电流后，电解液中含氧阴离子在电场作用下向碳纤维移动，在其表面放电生成新生态氧，继而使其氧化, 生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀,使得碳纤维本身的表面物理结构发生变化。
采用电化学氧化法, 合理选择电化学氧化装置是保证实施碳纤维有良好的表面处理效果的前提条件。
在选择电化学氧化装置时, 要考虑的因素包括阴极的材料、电解质和电流的选择。
阴极材料既要导电, 又要耐腐蚀。
石墨板具有良好的导电性能和耐腐蚀性, 在工业化生产中被广泛应用。
电解质可用酸、碱或盐类，如硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等。
对于酸性电解质，水被电解生成的氧原子被碳纤维表面的不饱和碳原子吸附，并与相邻吸附氧的碳原子相互作用而产生二氧化碳，从而使石墨微晶被刻蚀。
边缘与棱角的碳原子数目减少，是表面官能团增加的一个重要因素；对于碱性电解质，氢氧根离子被碳纤维表面的活性碳原子吸附，并与相邻吸附氢氧根的碳原子相互作用而生成氧，从而增加了表面活性碳原子数目。
阳极表面处理通常采用直流电，也有报道采用交流电进行处理，较小的电量可以得到有效的处理效果。
表5.14为不同电解质在10mA/mg电流下阳极氧化处理10分钟后碳纤维表面张力、极性的变化。
表5.14 不同电解质系统对阳极氧化表面处理效果的影响电解质γ/mN/m γp/mN/m γd/mN/m X p未处理38.2 17.1 21.1 0.45K2CO3/KOH 36.4 14.0 22.4 0.38K2HPO4/KOH 39.2 17.4 21.8 0.44 KHCO3/KOH 44.5 23.9 20.6 0.54KH2PO4/KOH 46.5 26.1 20.4 0.56 NaHSO4/NaOH 47.2 26.4 20.8 0.594K2SO4/KOH 48.4 28.7 19.7 0.59 KNO3/KOH 48.8 28.4 20.4 0.585.3.1.7 高能量电子辐照近些年来，高能量电子辐照技术也被用来作为碳纤维表面处理的手段。
高能量电子辐照通常采用Co60γ射线，辐照剂量从几十到几百kGy。
由于γ射线具有极高能量（1.17和1.33MeV ）,具有极强的穿透性，因此可以在任何温度下无需催化剂存在条件下在气、固、液材料中引发化学反应，具有无污染、节能等优点，并且对碳纤维还可以在收卷后进行，或者对碳纤维织物进行直接处理，而无需考虑织物大小、形状、厚度等。
图5.40为利用γ射线对碳纤维进行处理的装置示意图。
图5.41为不同剂量γ射线辐照后碳纤维的表面形貌变化，可以看出辐照后碳纤维表面形貌发生了很大变化，合适剂量的辐照使得纤维表面沟槽变细变多，有利于IFSS的提高。