碳纤维的制作过程

NH n
O Cl C
2021/5/13
O
C Cl + NH2
NH2
高温性能好，高温下的强度保 持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化 性和耐水性好，不易燃烧，具有自 熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐 化学试剂，绝热性能也较好。
强度和模量低，耐光性较差。
用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘 材料，耐高温的蜂窝结构。
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维 PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段： 预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
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进行预氧化处理的原因： PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直
接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处 理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就 不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维 吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。
压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进 一步减小以提高碳纤维的弹性模量。
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途径：
碳纤维的表面处理
提高碳纤维增强复合材料 中碳纤维与基体的结合强度。
清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或 刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以 增加表面能；引进具有极性或反应性官能团； 形成能与树脂起作用的中间层。
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NH
NH2
CO n
O C CH3
(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
CO
CON H
N H n
O C l C
O
CC l +N H 2
N H 2
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(1) 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维
CO
CO NH
在惰性气氛中将小分子有机物(如 烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
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将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他 非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状 物。此法用于制造连续长纤维。
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
B纤维改称为芳纶。
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主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等
（1）不熔融 （2）高温能保持高强度与高弹性模量 （3）耐热、不易燃烧 （4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性，耐磨性好 （7）对放射性线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔，在180℃ 的温度下，仍能很好的保持其性能，当温度达487 ℃时 尚不熔化，但开始碳化。
由于芳纶不熔融也不助燃，短时间内暴露在300℃以上 ，对于强度几乎没有影响。在-170℃的低温下也不会变脆， 仍能保持其性能。
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芳纶细纱和粗纱的热性能
性能 在空气中高温下长期 使用温度(℃) 分解温度(℃) 拉伸强度(MPa)
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水中的强度保留率高： 芳纶细纱在水中浸泡5min，而后在21℃水中
测定其拉伸性能，几乎没有影响。在88 ℃水中的 强度有所下降，强度保留率为21 ℃水中的85%。
收缩率和膨胀率小 具有良好的耐应力开裂性能，能在很长的时间内 保留很大的极限抗拉强度。
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Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
21
1000
9
7
化学试剂
丙酮 乙醇 三氯乙烯 甲乙酮 变压油 煤油 自来水 海水 过热水 饱和蒸汽 氟利202昂1/52/123
浓度 (%) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
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芳纶纤维的历史很短，发展很快。
1968年美国杜邦公司开始研制。
1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。
主要用于绳索、电 1972年又研制了以PRD--49命名的缆纤、维涂。漆织物、带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
7 8.3~8.5 38~40
38
延伸率 (%) 22
1.43~1.44 3.6 2.4
2~3.2 1.8~2.2 16~25 16~28
7~17 20~80
0.5 1.3 1.2 2.5~4
0.5~0.8 0.4
各类增强纤维比强度比模量
芳纶纤维的强度和模量高，密度低，因而此种增强纤 维有很高的比强度和比模量。
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(2) 聚N, N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维
H N
C OH N
H NC O
C O n
H 2 N
O
C O H + H 2 N
N H 2
O
+ H O C
O C O H
主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料
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为制得更高强度和模量的纤维，改进 纤维的耐疲劳性能，采用各种芳环和杂环 的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二 胺共聚。尚处于研制和试生产阶段。
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碳化： 在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤
维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等 非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了 碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
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石墨化 在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加
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浓度 (%) 99.7 37 37 10 10 10 10 10 28
强度损失(%) 温度(℃) 时间(h)
Kevlar-29 Kevlar-49
21
24
0
21
100
72
63
21
1000
88
81
21
100
10
6
21
100
79
77
21
100
9
12
21
1000
59
31
Leabharlann Baidu
21
1000
74
53
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高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。 高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态．形成棒 状结构，从而使纤维具有很高的模量。
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聚合物的线性结构使分子间排列得十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。 这种高的密实性使纤维具有较高的强度。
8 碳纤维
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1. 碳纤维概念 2. 碳纤维的制作方法 3. 以聚丙烯腈 (PAN) 为原料制造的碳纤维 4. 碳纤维的表面处理
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由有机纤维或低分子烃气体原料在惰 性气氛中经高温(1500ºC)碳化而成的纤维 状碳化合物，其碳含量在90%以上。
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制造的方法：
0.66 3.22 2.82 3.82 2.6~3.3 2.8~3.4 0.66~0.97 0.61~0.97 0.78~1.12 0.24~0.66 2.1 3.2 2.8 1.0~3.0 3.0~3.4 3.5 1.4~1.8
17.4 64.8 63.2 126.6 9~12 15~16 0.28~0.51 0.22~0.60 1.12~1.99 0.15~0.33 40 25 23
热膨胀系数(10-6 ℃-1)
纵向 0~1000℃
12
横向0~100℃
59
室温比热容[J/(g·℃)]
1.42
室温导热系数[W/(m ·K)]
垂直于纤维的热流 4.11×10-2
平行于纤维的热流 4.816×10-2
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和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性 的特点。
如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横向热膨胀系 数为59 × 10 -6 /℃
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KevIar纤维表面缺少化学活性基团，用 等离子体空气或氯气处理纤维表面，可使 Kevlar纤维表面形成一些含氧或含氮的官能团， 提高表面活性及表面能，显著地改善对树脂的 浸润性和反应性，增加界面粘结强度。
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芳纶在各种化学药品中的稳定性
化学试剂
醋酸 盐酸 盐酸 氢氟酸 硝酸 硫酸 硫酸 氢氧化钠 氢氧化钠
但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁 杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。
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10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
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芳纶纤维：
10.1 概述
芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商 品牌号为凯芙拉 (Kevlar) 纤维 (美国杜邦 公司1968年开始研究，1973年研制成功)， 我国命名为芳纶纤维。
Kevlar
Kevlar-29
Kevlar-49 芳纶Ⅱ 芳纶Ⅰ 尼龙6 尼龙66 涤纶 丙纶
碳纤维M40
碳纤维T500
碳纤维T300 E玻璃纤维 高强2#玻璃纤维
硼纤维 氧化铝纤维
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1.38 1.43~1.44
1.44 1.44 1.44 1.465 1.14 1.14 1.38 0.90 1.81 1.74 1.75 2.54 2.54 3.9
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1. 表面清洁法 2. 气相氧化法 3. 液相氧化法 4. 表面涂层法
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液相氧化法与气相氧化法比较： 液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材
料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗 透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。
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Ｃ、芳纶纤维的化学性能
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学 药品的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵 蚀，尤其是强酸的侵蚀。
芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸 气的稳定性，比其它有机纤维好。芳纶对紫外线是 比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度损失很 大，因此应加能阻挡紫外光的保护层。
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
2021/5/13
10.2.2 芳纶纤维的基本性能 A 、芳纶纤维的力学性能； Ｂ、芳纶纤维的热稳定性； Ｃ、芳纶纤维的化学性能。
2021/5/13
2021/5/13
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa， 比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维， 高于其他纤维。
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芳纶与各种纤维性能比较
纤维名称
密度(g/cm3) 拉伸强度 (MPa)
初始拉伸模量 (GPa)
Nomex
在室温下16个月 在50℃空气中2个月
在100 ℃空气中 在200 ℃空气中 拉伸模量(GPa) 在室温下16个月 在50℃空气中2个月
数据 160
性能 在100 ℃空气中
数据 113.6
500
无强度损失 无强度损失
3170 2720
无强度损失 无强度损失
在200 ℃空气中
110.3
收缩率(%)
4×10-4
2021/5/13
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶 解转为液晶纺丝而成。
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(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高，初始模量很高，而 延伸率较低。 单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤 维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。
芳纶纤维的拉伸强度约为E玻璃纤维的1.5倍，与碳纤 维相当或略高。拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维。
芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍， 为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。
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(1) 压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强 度的1/5。 (2) 紫外线照射时强度大幅下降。
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10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.2.1 芳纶纤维的结构
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(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称PBA纤维。