碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
聚丙烯腈合成碳纤维
稳定过程中的反应
环化反应是稳定化过程中的关键反应在这一过程中，碳氮三键转化为碳 氮双键，形成双键后形成环状结构。
在由PAN前驱体生产碳纤维的过程中，环化反应的进展，会影响到其他 热稳定过程中涉及的反应机制
稳定过程中的反应
碳纤维生产的热稳定过程涉及14个参数，包括（i）烘箱温度，（ii） 再循环风速，（iii）接触网，（i v）排气吸力，（v）再循环期间的空 气输入量，（vi）拖车计数，（vii）每个拖车中的灯丝数量，（viii） 能量释放纤维，（IX）在缝隙处的间隙，（x）纤维中的水分含量， （XI）细丝直径，（XII）停留时间，（XIII）在烤箱端部的密封，和 （XIV）炉内烟道气体的浓度。
2
聚丙烯腈 的应用
聚丙烯腈在水净化、空气过滤、防护服、超级电容 器、碳纤维复合材料等领域有着广泛的应用。
水净化
重金属、细菌和化学物质等对水体的污染对环境有着严重的威胁。 目前，聚丙烯腈基膜具有着良好的耐热性和耐化学性，以及较好 的机械性能，学者们对其在水净化中的应用越来越感兴趣。 通过各种化学物质（如：二乙烯三胺、聚乙二胺四乙酸、羟胺、 羟胺盐酸盐）对聚丙烯腈纳米纤维膜进行功能化处理，可以观察 到其在去除金属离子、染料和细菌等方面的优异性能。
电纺纤维在280℃的空气中热稳定1小时，然后在800℃的氩气气氛中进一步 碳化。加入氯化锌有助于在较低温度下获得芳香碳结构，在热稳定过程中以 水的形式消除氢。此外，它还通过刻蚀碳原子进一步催化碳化过程中微孔的 形成
3
聚丙烯腈合成碳 纤维
湿法纺丝工艺
制备的聚丙烯腈溶液 在非溶剂和溶剂的混凝剂 溶液中转化为纤维。聚丙 烯腈溶液最初被过滤，并 进入浸入含有溶剂（如硫 氰酸钠水溶液）的浴中的 喷丝板。使得纤维沉淀， 然后当它从喷丝孔出来时 凝固。在凝固浴中的停留 时间通常保持为10秒。在 随后的步骤中，过量的溶
聚丙烯腈基碳纤维
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的性能
PAN基碳纤维的炭化收率 比粘胶纤维高，可达45％ 以上，而且因为生产流程， 溶剂回收，三废处理等方 面都比粘胶纤维简单，成 本低，原料来源丰富，加 上聚丙烯腈基碳纤维的力 学性能，尤其是抗拉强度， 抗拉模量等为三种碳纤维 之首。
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聚丙烯腈（PAN）基碳纤维制ห้องสมุดไป่ตู้工艺
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聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的发展历程
1959年 美国ＵＣＣ公司生产低模量黏胶基碳纤维 “Ｔ hornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男 发明了ＰＡＮ基碳纤维 1971年 日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维 （1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40 1973年 日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤 维（0.5吨 /月） 日本东丽公司扩产5吨/月 1981年 台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人 造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作 1984年 台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作， 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800 1986年 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维 T1000
聚丙烯腈基碳纤维
碳纤维简介
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的发展历程
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的性能 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制备工艺
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碳纤维简介
碳纤维(Carbon Fibre)是 纤维状的碳材料，及其化 学组成中碳元素占总质量 的90%以上。 人造纤维，如粘胶丝，人 造棉，木质素纤维等 合成纤维,是从石油等自 然资源中提纯出来的原料， 再经过处理后纺成丝的， 沥青纤维，聚丙烯腈(PAN) 纤维等。
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预氧化和炭化过程生产线示意图
碳纤维的制备方法是什么
碳纤维的制备方法是什么碳纤维是一种由碳纳米纤维组成的高性能纤维材料，具有轻量化、高强度、高模量、耐高温和耐化学腐蚀等优良性能，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
本文将详细介绍碳纤维的制备方法。
一、纤维前驱体的制备：纤维前驱体是制备碳纤维的关键，一般采用聚丙烯腈（PAN）、天然纤维（如纤维素）和聚酰胺（如聚4,4'-二苯基二氨基甲烷和4,4'-二氟二苯基二甲烷）等有机物作为原料。
1.聚丙烯腈纤维前驱体制备：先将聚丙烯腈颗粒溶解在碱性条件下形成聚丙烯腈纤维前驱体溶液。
然后通过纺丝、拉伸等工艺制备纤维前驱体丝束。
接下来，对纤维丝束进行化学交联处理，使其纤维间生成交联结构，并在拉伸时形成微颗粒和纤维束，提高丝束的机械性能。
2.天然纤维前驱体制备：天然纤维（如亚麻、大麻、竹纤维等）通过酸碱处理、染色等工艺得到纤维前驱体。
3.聚酰胺纤维前驱体制备：在有机溶剂当中通过缩聚反应，将聚酰胺形成纤维前驱体。
二、纤维化与热解：将纤维前驱体进行纺丝、拉伸等工艺，得到纤维预体。
接下来，纤维预体经过一系列化学和物理处理，去除其中的杂质和残留气体。
然后通过高温炭化，将纤维预体中的有机物转变为无机碳，并形成纤维微结构。
三、高温处理：将炭化后的纤维进行高温处理，通常在2000℃以上的高温下进行。
高温处理主要有高温碳化、石墨化、热解等不同工艺，旨在提高纤维的结晶度和力学性能。
四、特殊处理：针对具体的应用要求，可能需要对碳纤维进行表面处理、功能化修饰等特殊处理，如掺杂其他元素、进行表面活性剂处理、表面改性等。
总结起来，碳纤维的制备过程包括纤维前驱体的制备、纤维化与热解、高温处理和特殊处理。
其中，纤维前驱体的制备对碳纤维的性能和品质有着重要影响，纤维化与热解过程使有机物转变为无机碳，并形成纤维微结构，高温处理提高碳纤维的结晶度和力学性能，特殊处理则根据需要对碳纤维进行表面处理或功能修饰。
碳纤维的制备方法不断发展和完善，目前已经有了多种制备工艺，如湿纺法、干纺法、熔融纺丝法等。
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。
聚丙烯腈的结构简式-概述说明以及解释
聚丙烯腈的结构简式-概述说明以及解释1.引言1.1 概述聚丙烯腈是一种重要的合成纤维材料，也是丙烯腈单体聚合得到的聚合物。
它具有优异的物理性质和化学性质，广泛应用于纺织、化工等领域。
聚丙烯腈的化学结构中含有酰胺基团，使得其具有良好的强度、耐久性、抗静电性和抗皱性等特点。
此外，聚丙烯腈还可以通过进一步的化学反应和处理获得其他功能性纤维，如碳纤维，增加了其应用的多样性。
本文将对聚丙烯腈的化学结构、物理性质以及应用领域进行详细介绍，并展望其未来可能的发展方向。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将以聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，简称PAN）为研究对象，探讨它的结构简式、物理性质及应用领域。
具体而言，文章将分为三个主要部分。
第一部分为引言部分，包括概述、文章结构和目的三个小节。
在概述中，将简单介绍聚丙烯腈的基本情况，以及其在化学和材料领域的重要性。
文章结构一节将解释整篇文章的组织框架，说明各部分的主要内容。
目的一节将明确本文的主要研究目标和意义。
第二部分为正文部分，主要包括聚丙烯腈的化学结构、物理性质及应用领域三个小节。
在聚丙烯腈的化学结构一节中，将详细介绍聚丙烯腈的分子结构、化学键以及聚合方式。
聚丙烯腈的物理性质一节将涵盖其热力学性质、力学性能、光学性质等方面的内容。
在聚丙烯腈的应用领域一节中，将探讨聚丙烯腈在纺织、医药、电子等领域的广泛应用和发展前景。
第三部分为结论部分，将主要包括总结聚丙烯腈的结构简式、对聚丙烯腈的未来发展进行展望以及结束语。
总结聚丙烯腈的结构简式一节将回顾本文中所提及的聚丙烯腈的化学结构，并概括其主要特点。
对聚丙烯腈的未来发展进行展望一节将探讨聚丙烯腈在新材料、新技术等方向的发展前景，并提出相关建议和展望。
最后，结束语将对本文的研究进行总结，并提出对读者的期望。
通过以上结构的安排，本文将全面介绍聚丙烯腈的结构简式、物理性质及其应用领域，为读者提供一份关于聚丙烯腈的综合性参考文献。
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
聚丙烯腈基碳纤维原丝的湿法纺丝制备方法
聚丙烯腈基碳纤维原丝的湿法纺丝制备方法聚丙烯腈基碳纤维是一种具有高强度、高模量和优良的导电性能的碳纤维材料，在航天航空、汽车、船舶和体育器材等领域有广泛的应用。
湿法纺丝是制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的一种常用方法，下面将介绍湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的详细步骤。
首先，制备聚丙烯腈溶液。
将聚丙烯腈与溶剂（如N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等）按一定比例加入反应釜中，加热搅拌使其溶解均匀。
然后，将溶解好的聚丙烯腈溶液过滤去除杂质，得到纯净的聚丙烯腈溶液。
接下来，进行复合纤维基体的制备。
将聚丙烯腈溶液泵入湿法纺丝机的纺丝头中。
湿法纺丝机是由一个旋转鼓和纺丝头组成的，旋转鼓上面覆有微孔的滤网，纺丝头下面有充湿设备。
当纺丝头接触到纤维基体水槽里的水时，聚丙烯腈溶液中的溶剂会被快速稀释和溶解，形成聚丙烯腈纤维基体。
然后，进行原丝的浸渍处理。
将湿法纺丝得到的聚丙烯腈纤维基体浸入含有聚维酰胺-6溶液的浸渍槽中，使聚丙烯腈纤维基体充分吸收聚维酰胺-6溶液。
聚维酰胺-6是一种常用的硫氮共聚物，用来增强聚丙烯腈基碳纤维的力学性能和导电性能。
完成浸渍后，将浸渍的聚丙烯腈纤维基体放入预氧化炉中进行预氧化处理。
预氧化是通过加热将聚丙烯腈纤维中的一部分结构能定型成均一分散的胺基腈结构，为后续的碳化反应做准备。
预氧化的温度和时间会影响聚丙烯腈基碳纤维的热稳定性和结晶程度。
最后，进行碳化和石墨化处理。
将预氧化后的聚丙烯腈纤维基体放入高温炉中进行碳化和石墨化处理。
碳化是通过加热将胺基腈结构分解生成纯碳结构，形成聚丙烯腈基碳纤维。
碳化的温度和时间会影响碳纤维的晶体结构和导电性能。
石墨化是在碳化的基础上进一步提高纤维的石墨化程度，使纤维具有更好的导电性能和力学性能。
以上就是湿法纺丝制备聚丙烯腈基碳纤维原丝的详细步骤。
这种方法制备的聚丙烯腈基碳纤维原丝具有一定的机械性能和导电性能，适用于多种应用场景。
聚丙烯腈碳纤维的制备过程
聚丙烯腈碳纤维的制备过程嘿，你知道聚丙烯腈碳纤维吗？这可是个超级厉害的东西呢！今天我就来给你讲讲它是怎么制备出来的。
我有个朋友叫小李，他就在一个研究碳纤维的实验室工作。
有一次我去他那儿参观，就像刘姥姥进大观园一样，对啥都好奇。
他就开始给我讲聚丙烯腈碳纤维的事儿。
聚丙烯腈碳纤维的制备啊，得从原料开始说起。
这原料聚丙烯腈，就像是盖房子的砖头一样重要。
它是一种高分子聚合物，白色粉末状的东西。
这原料可得精挑细选，要是质量不好，就像做菜用了坏的食材，后面再怎么努力都白搭。
那些生产聚丙烯腈的厂家就像是原料的把关者，得保证它的纯度啊、分子结构啥的都符合要求。
首先呢，要进行聚合反应。
这就好比是把很多小珠子串成一条长长的珠链。
在这个过程中，会有各种化学物质参与进来，就像是一群小伙伴齐心协力来完成这个任务。
反应的条件也很重要，温度、压力这些就像是指挥小伙伴们干活的小队长，得控制得刚刚好。
要是温度太高了，就像一群人在炎热的太阳下干活，容易乱套，反应可能就进行得不好。
我当时就问小李：“这温度控制是不是超级难啊？”小李笑着说：“那可不，就像走钢丝一样，得小心翼翼的。
”聚合反应完成之后呢，就得到了聚丙烯腈的纺丝液。
这纺丝液啊，看起来有点像胶水，黏黏的。
接下来就是纺丝的过程啦。
想象一下，这纺丝液就像是从一个超级小的嘴巴里挤出来的面条一样。
只不过这个“嘴巴”是很精密的喷丝头。
从喷丝头出来的丝啊，细得不得了，就像头发丝儿一样，不，甚至比头发丝儿还细呢。
这时候，周围的环境也很关键。
得让这些丝在合适的氛围下凝固成型，就像小树苗需要合适的土壤和空气才能茁壮成长一样。
我又好奇地问小李：“这丝这么细，不会断吗？”小李说：“这你就不懂了吧，在这个过程中，会有一些措施来保证丝的强度。
就像我们保护小婴儿一样，得给它足够的呵护。
”这些丝被卷绕起来，就像是把长长的线绕在一个线轴上。
然后啊，就是预氧化的过程。
这个过程可神奇了。
预氧化就像是给这些丝来一次初步的变身。
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。
碳纤维增强复合材料的制备与性能研究
碳纤维增强复合材料的制备与性能研究引言：碳纤维增强复合材料是一种具有高性能和轻质化特点的新材料，广泛应用于航空航天、汽车、船舶和体育器材等领域。
本文将从碳纤维的制备方法、复合材料的制备工艺以及其性能研究等方面进行探讨。
一、碳纤维的制备方法碳纤维是一种由高度纯净的碳素原料制备而成的纤维。
目前常用的制备方法主要有聚丙烯腈纤维炭化法、沥青纤维炭化法和煤沥青纤维炭化法。
聚丙烯腈纤维炭化法是最常用的制备碳纤维的方法，其过程包括聚合、纺丝、预氧化、炭化和高模拉伸等步骤。
该方法制备的碳纤维具有较好的力学性能和电导率，广泛应用于航空航天领域。
沥青纤维炭化法利用含碳的原料，如煤沥青或石油沥青，制备碳纤维。
该方法具有制备工艺简单、成本低的优点，但碳纤维的力学性能相对较低。
煤沥青纤维炭化法是一种利用煤沥青作为碳纤维原料的方法。
通过将煤沥青纺丝成丝线，然后炭化处理得到碳纤维。
这种制备方法的碳纤维具有竖直排布的孔隙结构，结构独特，但强度较低。
二、复合材料的制备工艺碳纤维增强复合材料的制备工艺是将碳纤维与树脂复合而成的一种新型材料。
制备过程主要包括预处理、层叠和固化等步骤。
预处理是指对碳纤维进行表面处理，以增强其与树脂的粘结能力。
常用的方法有碱处理和氧等离子体处理。
碱处理可以使碳纤维表面形成羟基官能团，提高粘结性能。
而氧等离子体处理可以增加碳纤维表面的活性基团，提高其化学反应性。
层叠是将预处理过的碳纤维与树脂按照设计要求进行层叠，形成复合材料的初始结构。
层叠可以通过手工层叠和机械层叠两种方式进行，手工层叠适用于小批量生产，机械层叠适用于大规模生产。
固化是指将层叠好的碳纤维与树脂的复合材料放入固化设备中，在一定的温度和压力下进行固化反应。
固化过程中，树脂将热固化，与碳纤维形成牢固的化学键，使复合材料具有较好的力学性能和稳定性。
三、性能研究碳纤维增强复合材料的性能主要包括力学性能、热性能和导电性能等。
力学性能是衡量复合材料强度和刚度的重要指标，包括拉伸、弯曲和剪切等性能。
聚丙烯腈和碳纤维(29页)
碳化
(3) CO和C02的释放: 未被结合到梯形结构中的含氧基团被热解。
(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。
-CHa-CH* + R-SH CN
-CHz-CHa- + RS . CN
碳纤维的结构
碳原子结构最规 整排列的物质是 金刚石, 碳纤维 结构近乎石墨结 构, 比金刚石结 构规整性稍差
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碳纤维的分类
最早问世 ,宇航咳 — 性材料
HHH HHH
iIII
乂 c/
IIII
石墨化
石墨化是固相碳化反应的继续，碳纤维中以氮为主的非碳元素几乎全 部溢 走，得到含碳量接近100%的石墨纤维。2200X: 时基本完成。
Logo
Logo
聚丙烯腈的合成
JI发: 别发釗及热分解，卢生初级t由裏。分解反应 連卒 敕仗，可技喇整个反应連卒。初级负由暮与单体 加成， 打开神类羊体的，形成n，生成羊体令由基＞ 并玫热。 C1本水商公句采用偶氬二异丁漪(AIBN)做J|发利，二 甲 泉正风CDMSOJ做泳利，换作安全，户品质黃 本。
CHa
偶合终止 -CHi-CH* + 'CH-CH?- -- CHa-CH- CH-CH2-
聚丙烯腈基碳纤维性质及其性能方面研究
聚丙烯腈基碳纤维性质及其性能方面研究王立楠100201班摘要:汇述了碳纤维应用领域、世界碳纤维市场、世界碳纤维制造、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产商与制造工艺以及中国碳纤维发展现状与趋势，尤其近年来在大飞机重大专项的牵引下，我国各地争上千吨级碳纤维项目，而形成“碳纤维热”。
同时，为缩小与国外先进水平的较大差距，提出“突破PAN原丝关键技术瓶颈，避免重复引进和重复研究，加快提升自主创新能力”3项发展建议。
关键词:碳纤维；应用领域；市场需求；产能；生产Study on polyacrylonitrile based carbon fiber properties and performanceLi’nan Wang class:100201Abstract: The carbon fiber application fields, world’s market, capacities of foreign producers and their extending plan, production technologies and the development situation & trend of carbon fiber in China are illustrated, especiallyin the drawing of China’s big airplane important project, several 1 000 t/a carbon fiber programs were constructed all over the country, forming “overheat”in carbon fiber in recent years. In the same time, three suggestions are put forward in order to shorten the distances with foreign companies, they are “making a breakthrough at the bottleneck of PAN precursor key technologies, avoiding the repeated imports of foreign equipment and re -searches, accelerating and raising the ability of innovation ”.Key words: carbon fiber; application territory; market demand; production capacity; advance1、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的用途PAN碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料，是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。
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(PAN)基碳纤维复合材料
SGL 台塑集团
Aksa
Aldila
世界PAN碳纤维主要生产企业
全球主要企业PAN碳纤维产能
设计产能（吨）
东丽集团
东邦特耐克丝公司
小丝束
1K/3K/6K/ 12K/24K
三菱人造丝公司 台塑集团 赫氏公司 氰特工程材料公司
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
▪ 2010年，中复神鹰碳纤维公司通过碳纤维及关键设备研发项目的国家级鉴 定，标志着我国成功实现碳纤维国产化和产业化，建成国内首台套规模最大、 技术成熟的千吨级生产线。
国内碳纤维研究学术机构及个人
1、杨玉良，科技部“973”计划“高性能碳纤维相关重大问题的基础研究” 项目首席科学家，中国科学院院士，复旦大学校长 2、徐樑华，国家碳纤维工程技术研究中心主任，北京化工大学材料科学与 工程学院副院长 2、余木火，东华大学纤维材料改性国家重点实验室常务副主任，东华大学 研究院副院长
我国碳纤维产业发展情况
我国对碳纤维的研究起步较早，始于20世纪60年代，国家 863计划、973计划等均对碳纤维研制进行了支持，但进展较缓慢， 产品严重依赖进口。
2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推动下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参与下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
其他性能
耐高温（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。
一种碳纤维用聚丙烯腈初生纤维及其制备方法和应用与流程
一种碳纤维用聚丙烯腈初生纤维及其制备方法和应用与流程摘要本文介绍了一种用于制备碳纤维的聚丙烯腈初生纤维的方法以及该纤维的制备流程和应用。
通过合理调控聚丙烯腈原料的成分和工艺条件，可获得具有较高强度和模量的初生纤维。
制备碳纤维时，将初生纤维进行预氧化、炭化和热处理等步骤，最终得到具有优良性能的碳纤维产品。
本文还介绍了该纤维在航空航天、汽车制造和体育器材等领域的应用。
引言碳纤维是一种具有优良性能的高性能材料，在各个领域都有广泛的应用。
聚丙烯腈是制备碳纤维的主要原料之一，其初生纤维的性能对于最终碳纤维的质量和性能具有重要影响。
因此，开发一种制备碳纤维用聚丙烯腈初生纤维的方法，以及研究其制备流程和应用，对于提高碳纤维制备工艺的效率和碳纤维的性能具有重要意义。
聚丙烯腈初生纤维制备方法原料准备聚丙烯腈初生纤维的制备首先需要准备聚丙烯腈原料。
选择高纯度、低含杂物的聚丙烯腈单体作为原料，将其溶解于适量的有机溶剂中，得到初始聚丙烯腈溶液。
成纤过程初始聚丙烯腈溶液通过成纤机进行拉伸成纤。
调节成纤机的拉伸速度、温度和湿度等参数，使聚丙烯腈溶液能够均匀地拉伸成丝，并通过牵引器形成初生纤维。
洗涤与干燥初生纤维经过成纤后，需要进行洗涤和干燥处理。
将初生纤维放入洗涤槽中，用适量的溶剂进行洗涤，去除其中的有机溶剂和杂质。
洗涤后，将初生纤维进行脱水处理，然后通过热风干燥，使其获得一定的干燥度。
表面处理为了增强初生纤维的附着力和稳定性，还可以对初生纤维进行表面处理。
常用的表面处理方法包括离子交换、表面改性和表面涂层等。
通过这些表面处理方法，可以改善初生纤维的表面性质，提高其在后续制备工艺中的应用性能。
碳纤维制备流程预氧化初生纤维经过洗涤和干燥处理后，需要进行预氧化处理。
将初生纤维置于预氧化炉中，在氧气氛围下进行预氧化反应。
通过控制预氧化温度和时间，使初生纤维发生部分氧化，形成稳定的氧化形态，为后续炭化和热处理做好准备。
炭化预氧化后的纤维经过炭化处理，将其加热到一定温度下进行炭化反应。
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）
聚丙烯腈 原材料
聚丙烯腈原材料聚丙烯腈是一种重要的合成纤维原料，具有广泛的应用领域。
本文将从聚丙烯腈的结构、性质、制备方法以及应用方面进行介绍。
聚丙烯腈是一种由丙烯腈单体聚合而成的高聚物。
它的化学结构中含有一个氰基，因此也被称为聚丙烯腈纤维。
聚丙烯腈的分子链结构紧密，由于聚合度高，因此具有较高的拉伸强度和耐磨损性。
此外，聚丙烯腈还具有较好的耐热性和耐化学性。
聚丙烯腈的制备方法主要有两种：乳液聚合法和溶剂聚合法。
乳液聚合法是将丙烯腈溶解在水中，通过乳化剂的作用使丙烯腈形成乳液，然后加入引发剂进行聚合反应。
溶剂聚合法是将丙烯腈溶解在有机溶剂中，加入引发剂后进行聚合反应。
两种方法均可获得高分子量的聚丙烯腈。
聚丙烯腈具有良好的物理性能和化学性能，因此在纺织、合成革、纸张增强等领域得到广泛应用。
在纺织领域，聚丙烯腈纤维可以用于制作针织品、毛线衫、袜子等。
由于聚丙烯腈纤维具有较好的弹性和保暖性能，因此在冬季服装中得到广泛应用。
此外，聚丙烯腈纤维还可以制作过滤材料、绳索、工业线等。
在合成革领域，聚丙烯腈纤维可以用于制作仿皮革材料。
聚丙烯腈纤维具有较好的耐磨损性和耐化学性，因此合成的仿皮革材料具有较高的耐用性和耐腐蚀性。
在纸张增强领域，聚丙烯腈纤维可以用于纸张增强，提高纸张的强度和耐久性。
除了上述应用领域，聚丙烯腈还可以用于制备其他功能性材料。
例如，聚丙烯腈可以在高温下进行炭化处理，得到碳纤维材料，具有较高的强度和刚度。
碳纤维材料被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
此外，聚丙烯腈还可以进行化学修饰，制备各种功能性化合物，如聚丙烯腈酰胺和聚丙烯腈酮等。
聚丙烯腈作为一种重要的合成纤维原料，在纺织、合成革、纸张增强等领域具有广泛的应用。
通过不同的制备方法和后续处理，可以得到不同性能的聚丙烯腈材料，满足不同领域的需求。
聚丙烯腈的应用前景仍然广阔，随着科技的进步，相信聚丙烯腈材料在更多领域将发挥重要作用。
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高品质PAN纺丝原液
分子量高、分布窄
目标：Mw/ Mn ≤ 2.8
等规度高
目标 ：≥ 26％
序列分布均匀
凝胶含量少
控制
共聚单体种类、含量
引发剂种类、用量
反应温度
加料方式
● 预期目标：
(1) 明晰PAN大分子结构和PAN聚合工艺条件对纺丝原液 质量的影响。 （2）制备出高质量的PAN纺丝原液，并使工艺稳定。
2.共聚单体含量对聚合速率和分子量的影响
聚合反应转化率和平均分子量随共聚单体总含量的变化趋势
3.二单加入方式对聚合影响
加料方式对聚合的影响
二单加料 方式 一次加入 连续滴加 转化率 (%) 12 h 65.9 81.9 GPC
Mn (×104)
3.29 4.51
Mw (×104)
7.92 7.87
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
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
2.0
2.1 2.3 2.5
4.9
4.6 5.2 5.1
2.5
2.3 2.3 2.0
26.1 -
6
88.1
330
23
4.9
2.1
25.2
90 80 70 60
40000
3.0
2.5 35000 2.0
转化率（ %）
50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 o 55 C o 65 C o 60 C
Mw
Mw/Mn
30000 1.5 25000 1.0
20000 0 2 4 6 8
0.5
时间（ hr)
反应时间（ hr)
反应温度对聚合速率影响
Байду номын сангаас反应时间对分子量及其 分布影响
●研究结论
共聚单体种类、用量、二单加料方式、引发剂用量等对 聚丙烯腈聚合速率、分子量及其分布有显著影响。随共聚单 体的体积增大，反应活性减弱，随着共聚单体总含量的逐步 提高，反应转化率和分子量均呈现出明显下降的趋势, 但其 等规度呈现出上升的趋势，共聚单体的含量一般不宜超过 6wt%；采用第二单体随聚合反应进行逐渐滴加的方式，有利 于丙烯腈转化率显著提高和分子量分布的变窄；三元共聚相 对二元共聚有更好的放热宽分布，并且共聚单体衣康酸（IA） 的加入，对放热峰的宽化和放热量减弱有显著的改善。
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
PAN-NVP
PAN-NVP PAN-AM PAN-AM PAN-AM-IA PAN-AM-DMI
12
24 12 24 12 12
78.0 79.0 66.0 59.2
-
2.9
2.9 4.6 4.5 3.3 2.8
7.4
7.8 8.6 9.0 7.9 6.6
2.6
2.7 1.9 2.0 2.4 2.4
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
Mw/Mn 2.41 1.74
4.引发剂浓度对聚合速率和分子量的影响
转化率、平均分子量和分子量分布随反应时间的变化 AIBN（wt%） 粘度法平均分子量 GPC法分子量分布 1.00 214000 1.88 0.80 245000 1.83 0.65 253000 1.90
转化率（%）
77.6
71.8
聚合时间 （小时）
1 1.5 2
单体转化率 (%)
24.6 36.1 48.2
动力粘度 （Pa.S）
-
Mn (× 104)
2.3 2.7 2.1
Mw (× 104)
4.6 5.2 4.8
Mw/Mn 2.0 1.9 2.4
等规度 (%)
26.1 -
2.5
3 4 5
53.6
62.5 81.4 82.1
17.5 -
●主要研究内容:
通过溶液聚合制备碳纤维用聚丙烯腈，研究引发剂种类、 共聚单体结构和含量、加料方式、聚合工艺等对聚合速率、 分子量及其分子量分布、等规度、凝胶含量、纺丝性能等 的影响，以及纺丝原液在储存过程中分子量及其分布的变 化等。进行一定规模放大实验，为纺丝提供一定数量高质 量的PAN纺丝原液。
●研究进展
2007年工作汇报
项目名称：高性能聚丙烯腈PAN碳纤维基础科学问题 报告名称：碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
特点：质量轻、强度大、模量高、耐腐蚀、耐高温、 耐疲劳、抗蠕变。 应用范围广：航天航空等重要国防工业部门 我国碳纤维与国外差距较大，关键因素之一就是原丝 的质量没过关。 制备高质量聚丙烯腈原丝需要高品质聚丙烯腈树脂和 合理的纺丝工艺。