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碳纤维原丝的生产及成型工艺 怎样判断碳纤维丝质量?

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-26  浏览次数:6088
核心提示:我国PAN原丝及碳纤维的研制开发己有40年的历史,20世纪60-70年代,在国家有关部门的大力支持下,十几家科研单位开展了......
我国PAN原丝及碳纤维的研制开发己有40年的历史,20世纪60-70年代,在国家有关部门的大力支持下,十几家科研单位开展了研制工作,先后建成了从几百千克到几吨的小试装置和几十吨的中试装置,但由于种种原因发展缓慢,生产规模小,而且产品质量不稳定,技术设备落后,大都没有形成规模生产,现在国内所需碳纤维主要通过进口解决。原丝生产存在问题更多,质量一直未过关,被普遍认为是制约我国碳纤维发展的“瓶颈”。新世纪伊始,PAN基碳纤维在国内新材料业又成为新的热点,特别是一些工业企业非常看重碳纤维的发展,已建起新的生产装置。国家也把“PAN基碳纤维”列入国家“863”计划,“H"?—五”计划也对碳纤维生产提出了更高的要求,目标是为军工及民用生产供应12K以下小丝束的优质原丝产品。这必将使我国PAN基碳纤维在新的世纪里步入大发展、良性循环的轨道。

碳纤维从原丝生产工艺到制成品的详细过程就是由上道原丝生产工艺产出PAN原丝,经过送丝架湿热预牵伸后,由牵伸机器依次传送到预氧化炉,经过数台预氧化炉群的不同梯度的温度烤化后,形成氧化纤维即预氧丝;预氧丝经过中温、高温碳化炉后形成碳纤维;碳纤维再经过最终的表面处理上浆、干燥等工艺得到碳纤维成品。全过程连续走丝,精确控制,任何一道工序出现些许问题都会影响稳定生产和最终碳纤维产品的质量。碳纤维生产工艺流程长,技术关键点多,生产壁垒高,是多学科、多技术的集成。

碳纤维丝质量判断指标:

小丝束的抗拉强度十分稳定,离散性小,变异系数在5%以下,容易在生产和使用过程中,对其性能和质量进行有效的控制;而大丝束抗拉强度不稳定,变异系数高达15-18%,可靠性较差,大丝束碳纤维粘连、断丝等现象更多,这样会使强度、刚度受影响,性能有所降低,性能的分散性也会较大,不能作为承重结构加固材料。

碳纤维丝

所有的碳纤维制品都是由碳纤维原丝加工而成的,原丝的主要原料是聚丙烯腈、人造丝和中间相沥青。最早使用的是人造丝,现在多数已经被聚丙烯腈代替了,因为聚丙烯腈碳纤维的出产率是50%,而人造丝的出产率只有50%。

碳纤维原丝生产和碳纤维成型工艺:

拉丝。这是碳纤维生产过程中的第一步,主要把原材料分离成纤,属于物理变化,在这过程中,纺丝液细流与凝固液之间的传质、传热,最后PAN沉析形成凝胶结构的丝条。

牵伸。要求温度100到300度,结合定向纤维的拉伸效应来操作。也是PAN纤维的高模量、高强化、、致密化和细化的关键步骤。

稳定。使用400度加热氧化的方法使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构,使其在高温下不熔不燃,保持纤维形态,热力学处于稳定状态。

碳化。需要在温度1千到2千度,将PAN中非碳元素驱除,最后生成含碳量90%以上的具有乱层石墨结构的碳纤维。

石墨化。需要温度在2千到3千度,将无定型、乱层结构的碳化材料向三维石墨结构转化,是提高碳纤维模量的主要技术措施。
 
 
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