木木讲军事|碳纤维简史及制备工艺
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碳纤维(CarbonFibre)是纤维状的碳材料 ， 及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上 。 碳纤维及其复合材料具有高比强度 ， 高比模量 ， 耐高温 ， 耐腐蚀 ， 耐疲劳 ， 抗蠕变 ， 导电 ， 传热 ， 和热膨胀系数小等一系列优异性能 ， 它们既可以作为结构材料承载负荷 ， 又可以作为功能材料发挥作用 。 因此 ， 碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速 。
一、碳纤维生产工艺
可以用来制取碳纤维的原料有许多种 ， 按它的来源主要分为两大类 ， 一类是人造纤维 ， 如粘胶丝 ， 人造棉 ， 木质素纤维等 ， 另一类是合成纤维 ， 它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料 ， 再经过处理后纺成丝的 ， 如腈纶纤维 ， 沥青纤维 ， 聚丙烯腈(PAN)纤维等 。 经过多年的发展 ， 目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化 。
1 ， 粘胶(纤维素)基碳纤维
用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料 ， 可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等 ， 是解决宇航和导弹技术的关键材料 。 粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒 ， 也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等 。
虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝 ， 但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5% ， 实际制造过程热解反应中 ， 往往会因裂解不当 ， 生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30%以下 。 所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高 ， 目前其产量已不足世界纤维总量的1％ 。 但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点 ， 由于含碱金属、碱土金属离子少 ， 飞行过程中燃烧时产生的钠光弱 ， 雷达不易发现 ， 所以在军事工业方面还保留少量的生产 。
2 ， 沥青基碳纤维
1965年 ， 日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维 。 从此 ， 沥青成为生产碳纤维的新原料 ， 是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线 。 大谷杉郎开始用聚氯乙烯(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃ ， 然后将所制PVC沥青进行熔融纺丝 ， 之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理 ， 即预氧化 ， 再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维 。
目前 ， 熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青 。 1970年 ， 日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市 ， 至今该公司仍在规模化生产 。 1975年 ， 美国联合碳化物公司(UnionCarbideCorporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t 。 我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线 ， 1995年已投产 ， 同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置 。
3 ， 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维
【木木讲军事|碳纤维简史及制备工艺】PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高 ， 可达45％以上 ， 而且因为生产流程 ， 溶剂回收 ， 三废处理等方面都比粘胶纤维简单 ， 成本低 ， 原料来源丰富 ， 加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能 ， 尤其是抗拉强度 ， 抗拉模量等为三种碳纤维之首 。 所以是目前应用领域最广 ， 产量也最大的一种碳纤维 。 PAN基碳纤维生产的流程图如图1所示 。
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