碳纤维国内技术和生产现状简介

国碳纤维技术及生产现状

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近40年的漫长历程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封锁，制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。20世纪70年代初突破连续化工艺，1976年在中科院煤炭化学研究所建成我国第一条PAN 基碳纤维扩大试验生产线，当时生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。我国主要研究单位有中科院煤化所、合纤所、化工大学、工业大学、东华大学、大学、大学、工业大学等。

我国目前使用碳纤维量约占世界用量的1/5。巨大的市场潜力，供不应求的局面，必然促进我国碳纤维工业的发展。但是，要想进入竞争的市场，一是要保证产品的质量，二是要求价位相当。针对我国碳纤维工业的现状，需首先解决高性能PAN原丝的质量，在这基础上才有可能产业化，这是进市场的前提；同时，还需进行预氧化，碳化，石墨化设备及表面处理装置的工程化开发，使其形成规模化生产能力，才能在保证质量的基础上降低成本。目前，研究开发以及生

产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。

但由于对我国碳纤维产业发展的建议目前我国高性能碳纤维无论在质量上还是数量上与国外相比还有一定差距，远远满足不了需求。为此，尽快研究和发展我国自己的高性能碳纤维材料已迫在眉睫。碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程，质量的提升涉及到方方面面。以下几个方面应优先考虑。

1、提高PAN原丝质量

PAN原丝不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本。换言之，只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维，才能稳定生产，提高产量，降低成本。对于现代碳纤维生产线，要求喂入丝束数在100以上，且高速运行；如果原丝质量低劣、彼此性能差异较大，易在生产过程中产生毛丝缠结，甚至发生断丝，很难稳定生产，这样必然加大原丝的损耗。对于质量好的PAN原丝。用2.0kg以下的原丝可生产出1kg碳纤维；而质量差的原丝，则需2.5kg，甚至更高，这必然加大生产成本，而原丝成本占碳纤维生产成本的50％～65％。所以，PAN原丝质量不仅可左右碳纤维的性能,而且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争力。

2、研制高纯度原丝

研制高纯度原丝可把先天性缺陷降低到最小程度，大量检测表明，国产原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁的含量

比国外大得多。碱、碱土金属和铁的存在不仅影响聚合和纺丝的性能稳定性，而且在高温碳化过程中逸走而残留下孔隙，所以，聚合所用原料要纯，纺丝空间应洁净化，所用设备应耐腐蚀。

另外，原丝高强化经测试和有关资料表明，我国PAN 原丝强度(力)比较低，而国外PAN原丝强度(力)一般在60g ／d以上。在一定围，碳纤维的拉伸强度随着原丝强力的提高而提高，而提高原丝强力的技术措施之一是相应提高PAN 树脂的分子量。细旦化高强度碳纤维的发展趋势之一是单丝直径较细。直径越细，包含大缺陷的几率越少，尺寸效应就越显著。均质化主要是纤维横截面由表及里结构均匀，性能一致。这就要求PAN原丝、预氧化纤维和碳纤维无明显的皮芯结构。纤维的皮芯结构易在凝固成纤过程或预氧化热处理过程产生，最佳工艺条件的选择则十分重要。细晶化对于脆性材料，缺陷大小与微晶尺寸视为同一数量级。细晶化有利于对缺陷的控制和碳纤维抗拉强度的提高，特别是压缩强度的提高。细晶化应从聚合开始，贯穿于生产碳纤维的全过程。扩大生产线规模除PAN原丝质量外，扩大生产规模也是降低成本的有效途径。

3、增强拉伸强度

碳纤维是由有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的。碳纤维属于脆性材料，拉伸强度等性能受控于各类缺陷。

因此，在一定意义上来讲，提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少缺陷数目、减小缺陷尺寸的过程。从碳纤维的缺陷产生可大致分为两类：一类是先天性缺陷，由PAN原丝“遗传”给碳纤维；第二类是后天性缺陷，在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。

从缺陷在碳纤维中所处的位置又可分为表面缺陷和部缺陷两大类，而表面缺陷占缺陷总数的90％左右。对拉伸强度的影响要比部缺陷大得多。所以，在生产碳纤维全过程中(从聚合开始到碳纤维收丝)都要关注缺陷的产生和演变以及控制缺陷的技术措施，其中包括油剂质量和上油剂工艺。这也是提高碳纤维拉伸强度的主要途径。碳纤维的理论强度为180GPa，目前世界上强度最高的碳纤维T1000(日本东丽公司)的拉伸强度也仅是理论值的3.9％，而国产碳纤维的拉伸强度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强度有很大的潜力和空间。

随着我国经济的快速发展，国碳纤维的需求与日俱增，而加强技术创新是我国碳纤维加快发展实现产业化的关键。目前我国已开发的新技术如下：

(1)高性能原丝制备技术：一种拥有自主知识产权的低成本、高效率，适用于制备高性能T700碳纤维原丝的高品质丙烯腈成纤聚合物原材料纯化技术，由应化所研究成功并通过了省科技厅组织的鉴定。专家认为，该技术整体居于国

领先水平。高性能原丝制备技术的开发成功可彻底改变我国碳纤维制备技术落后的不利局面，对提升我国碳纤维产业发展水平具有重要意义。

(2)航天级高纯粘胶基碳纤维：由东华大学研制成功的性能稳定、质量合格的航天级高纯粘胶基碳纤维，填补了国空白，而且为国家战略武器用碳纤维材料的发展奠定了基础。研制的粘胶基碳纤维具有高纯度、低密度、高断裂应变、低热导率和耐烧蚀等优良特性，是特种防热层材料，其性能大大超过原碳布路线的产品。过去世界上只有美国和俄罗斯掌握这一技术，而东华大学鼎教授领衔的课题组先后攻克了原丝关、工艺关、强度关、排废关，在原丝质量指标确定、稀纬带炭化技术、有机和无机混合型催化体系、连续纯化工艺、空气介质低温热处理和两段排焦等工艺技术和装置方面取得了一系列原创性成果，解决了六大关键技术难题，使我国成为世界上第3个掌握这一技术的国家。

（3)碳纤维加固补强织物：由纺织科学院研制的碳纤维加固补强织物是一种高科技含量的产品，该纤维采用国外进口高性能碳纤维加工而成。具有高强高效、耐久耐腐、质量轻等特点。补强技术是用配套树脂将碳纤维织物粘贴于混凝土结构表面。起到结构补强及抗震加固作用。广泛用于梁、柱、板、墙等的补强，也可用于桥梁、隧道水坝等其他土木工程的加固。