碳纤维的生产制备(PPT文档)

碳纤维桥
2007年5月10日，荷兰 建成世界上最长的碳纤 维复合材料桥。该桥长 24.5米，宽5米。
碳纤维结构材料
用作主承力结构材料， 如主翼、尾翼和机体； 次承力构件，如方向舵、 起落架、副翼、扰流板、 发动机舱、整流罩及座 板等
原料
聚丙烯腈纤维 粘胶纤维 沥青纤维
含碳量 %
68 45 95
碳化收率 碳化收率 （cf碳含量 （cf/原料） /原料碳含
7
预氧化分为6个温区，温度呈梯度分布，逐步提高。 6个区的预氧丝照片对比
原丝
一区（180-220℃） 二区（210-235℃） 三区（230-250℃）
四区（240-255℃） 五区（250-265℃） 六区（250-275℃）
预氧化过程反应机理
01 脱氢反应
02 共聚单体引发环化
03 氧化反应
02
01
放热
03
9
低温碳化炉
高温碳化炉
碳化是一复杂的物理、化学变化和结构的转化过程，是在惰性气体 （N2）保护下发生热分解、热缩聚过程，其结果是将预氧丝的梯型结构 转化为碳纤维的乱层石墨结构。
碳化全过程可以分为低温碳化和高温碳化两个阶段，前者的温度一 般为300~1000℃，后者为1100~1600℃。
量）
40~60
60~85
21~40
45~85
80~90
85~95
碳纤维是一类由人造纤维或合成纤维为母体，经过高温（1000℃以上）处理后制得的
含碳量达到90%以上的无机纤维材料。
碳纤维生产原料有三种:黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈 (PAN)纤维。
以PAN纤维作为原料制得碳纤维，因其产品力学性能良好、生产工艺简单以及碳化 收率高，得到大力发展，成为当前碳纤维工业的主流。
碳纤维表面处理的目的
提高碳纤维增强复合材料中 碳纤维与基体的结合强度。
碳纤维表面处理的途径
①清除表面杂质； ②在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽， 增加表面能； ③引进具有极性或反应性官能团并 能与树脂起作用的中间层如 —COOH，—NH2，—OH等。
电化学氧化法
以碳纤维为阳极，石墨板为阴极，在电解质溶液中于一定电流密度下，靠 电解作用产生的初生态氧对碳纤维进行氧化刻蚀，并形成含氧官能团。
材料结构与功能之间的关系
carbon fiber—碳纤维
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碳纤维构件
利用碳纤维布加固钢筋 混凝土构件以提高承载 力及延长寿命是目前比 较流行的方法，在建筑 业中有着广泛的发展前 景。
碳纤维瓦
碳纤维布加固修补结构 技术是一种新型的结构 加固技术，它是利用树 脂类粘结材料将碳纤维 布粘贴于混凝土表面， 以达到对结构及构件加 固补强的目的。
3
抗拉强度
弹性模量 比重
A DB
C
抗疲劳强度
导热性 耐腐蚀性 耐磨性 高X射线透射率
碳纤维材料与其他加固材料对比
4
退丝 去捻
上油
预氧 化
废气 处理
低温 碳化
高温 碳化
成品 包装
收卷
上浆 干燥
水洗 干燥
表面 处理
12/23/2019
PAN基碳纤维的制备流程
预氧化过程照片展示
PAN原丝的线型分子链转化 为具有耐热梯型结构的预氧丝， 能够在惰性气体（N2)保护下的 高温碳化环境中不融不燃，保持 纤维状态进而转化为具有乱层石 墨结构的碳纤维。
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上浆处理的Байду номын сангаас的
① 保护纤维表面的活性基团；
② 可以使碳纤维具有良好的集束性，从而使纤维以后的缠绕织 造工艺操作简单，并且纤维束损伤较少（保护作用）；
③ 选择合适的上浆剂可以达到改善碳纤维表面性能、提高复合
材料剪切强度的目的。
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卷绕装置图
PAN原丝
1000℃
碳纤维
THANK YOU
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HCN的释放
在1000℃之前，HCN释放有两个高 峰，一个是在300~500℃之间，另一个在 700~1000℃之间。
前者可能是未进入梯型结构的氰基进 行热解的释放。
后者可能是因小的芳构化片之间缩 聚的副产物。
N2的释放
在PAN原丝中，含氮量约为20%左右， 转化为预氧丝后含氮量仍保持在20%左右。 在碳化过程中，1000℃之前N以NH3和 HCN脱除，使得含氮量大幅降低，在 900~1300℃是脱氮高峰区，是固相缩聚 的副产物。
碳化过程中发生的主要反应
NH3的释放
在预氧化过程中，亚氨基是环化过程中传 质的结构单元，一旦NH3释放就意味着失活 而芳构化反应的终止。
水的脱除
700℃之前，释放的相当量的水主要是含 氧基团发生分子间缩聚反应所致。
CO和CO2的释放
碳化过程释放CO和CO2是发生以下反应 ①热解反应有关，即未被结合到梯型结构中的 含氧基团被热解。 ②来源于-CN基团的水解