PAN基碳纤维应用

聚丙烯腈基碳纤维及其应用

1.聚丙烯腈碳纤维：

聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；

细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。生产中制取聚丙烯腈纤维的过程如下：

1)原丝的制备：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲

醋、甲叉丁二脂等)通过水相悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合或本体聚合共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚砜、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。直径12um 左右。

2)原丝的预氧化：若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持

其原来的纤维状态。因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段，过程中所发生的反应包括环化、脱氢及氧化，最后形成耐热梯型高分子。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤

维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化

纤维。

3)碳化：将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l600℃)，即碳化

处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化转化成稠环及缩聚

等反应，并脱除氢、氮、氧原子，纤维中的含碳量从60%增加

到95%,最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱

层石墨结构的碳纤维,直径在6-7um。

4)石墨化：在氦气或氩气的保护下，碳纤维经过进一步高温处理，

得到石墨纤维。石墨化纤维处理是将碳纤维放在2500-3000℃

的高温下，可得到含碳量在99%以上的更高模量的碳纤维。５）表面处理：碳纤维复合材料的层间剪切强度一般较差，这是因为碳纤维与树脂之问的粘接力较差所致。为了改善碳纤维复合

材料的界面粘接性能．必须对碳纤维表面进行处理。表面处理

可起到以下3种作用。第一，防止弱界面层(Weak boundary layer) 的生成。作为WBL有：①所吸附的杂质、脱模剂等；

②界面层老化时形成的氧化层、水合物层等；③与基体的不

充分浸润而所束缚的空气层等。第二，产生适合于粘接的表面

形态，使增强材料表面生成凹凸，通过抛锚效应而提高界面粘

接性能，但凹凸过多粘接也不好，所以应作适当调整。第三，

改善树脂和增强材料的亲合力。例如，增强材料和树脂的极性

差异很大时，在增强材料表面涂上极性中等的覆盖剂；还可以

在表面上进行化学处理，导入一些官能团而提高界面粘接性能

等。目前常用的表面处理方法有以下几种：１．气相氧化法：

将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、O3 等)中，在加温、加催

化剂等特殊条件使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧

基)。2 ．液相氧化法：采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的

方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等。3．阳

极氧化法：又称电化学氧化表面处理，是把碳纤维作为电解池

的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之

后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程。４．等离子体氧化法：

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，通常是指利用非

聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。非聚合性

气体可以是活性气体(如O2、NH3 、SO2、CO等)，也可以是惰

性气体(如He、N2、Ar等)。常用的是等离子体氧，它具有高能

高氧化性。5．表面涂层改性法：将某种聚合物涂覆在碳纤维表

面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应

以提高界面粘结强度，同时提供一个可消除界面内应力的可塑

界面层。

2. CF（碳纤维）及其EP（环氧树脂）复合材料的基本特点

EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF 问的载荷，保护CF不受环境影响。EP/CF复合材料的特性主要取

决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF复合材料具有优异的性能，与钢相比，EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8～7.2倍，比模量为钢的3.1～4.2倍，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。EP／CF复合材料的复合成型工艺:1.手糊成型:是依次在模具型腔表面涂布或铺迭脱模剂、胶衣、粘度适中的EP(胶衣凝胶后涂覆)和CF，手持辊子或刷子使EP浸渍CF，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。2 .树脂传递成型:将CF置于上下模之间，合模并将模具夹紧，在压力条件下注射EP，EP固化后打开模具，取下制品。必须保证EP在凝胶前充满型腔，压力促使EP快速传递到模具内并浸渍CF。为了提高EP浸渍CF的能力，可选择真空辅助注射。3.真空袋法成型:将手糊或喷射好的积层在EP的A阶段与模具在一起，在积层上覆以真空袋，周边密封，然后用真空泵抽真空，使积层受到不大于101 kPa的压力而被压实、成型。

4.树脂膜熔浸成型:将CF与EP片交替铺放在模具内。用真空袋包覆铺层，使用真空泵抽真空，将空气抽出。然后加热使EP熔化并浸渍CF，然后经过适当的时间使EP固化。

5.预浸料成型:预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，用EP预浸渍CF。预浸料在环境