《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》針對(duì)碳纖維復(fù)合材料在汽車等領(lǐng)域的輕量化應(yīng)用，圍繞碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)材料技術(shù)、復(fù)合材料成型制造技術(shù)、裝備制造技術(shù)、復(fù)合材料輕量化應(yīng)用技術(shù)和循環(huán)利用技術(shù)等，介紹了復(fù)合材料工程化技術(shù)研發(fā)和復(fù)合材料輕量化汽車車身制造技術(shù)等方面的系統(tǒng)工作。《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》將材料科學(xué)、材料制造技術(shù)、裝備制造技術(shù)和材料應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，向讀者呈現(xiàn)了一條由材料到應(yīng)用、兼顧工藝和裝備、前瞻材料循環(huán)再利用的完整示范技術(shù)鏈。
《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》可以為碳纖維材料、高分子材料、復(fù)合材料、裝備制造和汽車制造等眾多領(lǐng)域的讀者提供廣泛的知識(shí)交叉和技術(shù)交叉信息，啟發(fā)與促進(jìn)各自專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和技術(shù)的研發(fā)。
"序言
前言
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征1
1.1概述1
1.2聚丙烯腈原絲5
1.2.1聚合6
1.2.2紡絲10
1.3熱處理20
1.3.1預(yù)氧化21
1.3.2炭化26
1.4表面處理與改性31
1.4.1陽(yáng)極氧化處理31
1.4.2納米碳材料改性37
1.5表征檢測(cè)43
1.5.1PAN分子量及其分布44 "序言
前言
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征1
1.1概述1
1.2聚丙烯腈原絲5
1.2.1聚合6
1.2.2紡絲10
1.3熱處理20
1.3.1預(yù)氧化21
1.3.2炭化26
1.4表面處理與改性31
1.4.1陽(yáng)極氧化處理31
1.4.2納米碳材料改性37
1.5表征檢測(cè)43
1.5.1PAN分子量及其分布44
1.5.2預(yù)氧化纖維皮芯結(jié)構(gòu)47
1.5.3碳纖維及原絲孔洞缺陷52
參考文獻(xiàn)54
第2章碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的循環(huán)利用59
2.1概述59
2.2碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料回收技術(shù)61
2.2.1廢棄CFRP回收技術(shù)難點(diǎn)61
2.2.2物理回收62
2.2.3熱分解63
2.2.4溶劑分解76
2.2.5組合回收工藝及各種回收工藝比較90
2.3回收碳纖維在樹(shù)脂基復(fù)合材料中的再應(yīng)用92
2.3.1回收碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料制備技術(shù)92
2.3.2回收碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料制備技術(shù)96
2.4碳纖維復(fù)合材料循環(huán)利用商業(yè)化過(guò)程中面臨的困難及挑戰(zhàn)101
參考文獻(xiàn)102
第3章快速液態(tài)模塑成型用熱塑性基體材料技術(shù)110
3.1概述110
3.1.1液態(tài)模塑成型基本原理和特點(diǎn)110
3.1.2液態(tài)模塑成型用熱塑性樹(shù)脂基體材料特性112
3.2己內(nèi)酰胺陰離子原位開(kāi)環(huán)聚合成型技術(shù)112
3.2.1己內(nèi)酰胺開(kāi)環(huán)聚合過(guò)程中的流變性能113
3.2.2聚合工藝參數(shù)對(duì)APA6樹(shù)脂基體性能的影響115
3.2.3聚合工藝參數(shù)對(duì)APA6樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響119
3.2.4GF/APA6復(fù)合材料樹(shù)脂基體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究129
3.3環(huán)狀對(duì)苯二甲酸丁二醇酯原位開(kāi)環(huán)聚合成型技術(shù)136
3.3.1CBT樹(shù)脂開(kāi)環(huán)聚合過(guò)程中的流變性能139
3.3.2聚合工藝參數(shù)對(duì)CBT樹(shù)脂基體性能的影響140
3.3.3聚合工藝參數(shù)對(duì)pCBT樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響147
3.3.4CBT/ε己內(nèi)酯共聚酯的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究157
參考文獻(xiàn)166
第4章纖維變角度牽引鋪縫預(yù)成型及應(yīng)用技術(shù)170
4.1概述170
4.1.1VAT技術(shù)的基本原理170
4.1.2VAT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀171
4.2VAT技術(shù)制備纖維預(yù)成型體173
4.2.1VAT技術(shù)用基材的優(yōu)選173
4.2.2纖維軌跡規(guī)劃177
4.2.3開(kāi)孔/開(kāi)窗預(yù)成型體制備183
4.3基于VAT技術(shù)的復(fù)合材料開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)186
4.3.1基于VAT技術(shù)的一體化開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)186
4.3.2基于VAT技術(shù)的螺栓連接補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)194
4.4基于VAT技術(shù)的熱塑性復(fù)合材料熱壓制備技術(shù)197
4.4.1熱塑性復(fù)合材料層合板的制備197
4.4.2成型工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)和性能的影響199
4.4.3熱處理對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)和性能的影響204
4.5基于VAT技術(shù)的復(fù)合材料縫合技術(shù)206
4.5.1基于VAT技術(shù)的縫合復(fù)合材料層合板的制備206
4.5.2縫合對(duì)復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的影響207
4.5.3縫合對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊響應(yīng)和損傷的影響213
4.5.4縫合對(duì)復(fù)合材料層間斷裂韌性的影響220
參考文獻(xiàn)223
第5章快速樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)226
5.1概述226
5.2注膠設(shè)備228
5.2.1設(shè)備選型因素228
5.2.2RTM注膠機(jī)工作原理及設(shè)備228
5.3基于多點(diǎn)注射的快速RTM模具設(shè)計(jì)技術(shù)231
5.3.1RTM模具設(shè)計(jì)前注意事項(xiàng)231
5.3.2RTM模具設(shè)計(jì)的一般步驟及要求232
5.3.3RTM模具設(shè)計(jì)實(shí)例238
5.4注膠工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化244
5.4.1纖維預(yù)成型技術(shù)244
5.4.2環(huán)氧樹(shù)脂體系的選擇248
5.4.3樹(shù)脂化學(xué)流變行為的影響248
5.5RTM工藝質(zhì)量與穩(wěn)定性控制260
5.5.1RTM工藝常見(jiàn)缺陷的形成及預(yù)防260
5.5.2RTM工藝穩(wěn)定性控制262
5.5.3RTM工藝質(zhì)量控制264
參考文獻(xiàn)266
第6章熱塑性復(fù)合材料熱壓成型技術(shù)268
6.1概述268
6.2熱壓成型用熱塑性樹(shù)脂基體的熱性能和流變特性研究269
6.3熱塑性預(yù)浸片材的制備272
6.3.1熱塑性預(yù)浸片材的熔融浸漬制備工藝272
6.3.2熱塑性預(yù)浸片材熔融浸漬制備的工藝優(yōu)化275
6.4熱塑性復(fù)合材料層合板的連續(xù)化熱壓成型制備282
6.4.1熱塑性復(fù)合材料的層壓成型技術(shù)282
6.4.2連續(xù)化熱壓成型工藝參數(shù)優(yōu)化以及對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的影響285
6.5熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的快速?zèng)_壓成型299
6.5.1熱塑性復(fù)合材料制件的快速?zèng)_壓成型技術(shù)299
6.5.2熱塑性CF/PPS復(fù)合材料副保險(xiǎn)杠的快速?zèng)_壓成型302
6.6熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的性能表征及評(píng)價(jià)308
6.6.1熱塑性CF/PPS復(fù)合材料副保險(xiǎn)杠的尺寸精度測(cè)量308
6.6.2熱塑性CF/PPS復(fù)合材料副保險(xiǎn)杠的碰撞性能測(cè)試312
參考文獻(xiàn)318
第7章復(fù)合材料產(chǎn)品規(guī)模化制備321
7.1概述321
7.2自動(dòng)生產(chǎn)線總體規(guī)劃322
7.2.1規(guī)模化生產(chǎn)的工藝規(guī)劃322
7.2.2生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)323
7.3干態(tài)預(yù)浸機(jī)的研制324
7.3.1干態(tài)預(yù)浸機(jī)的工作原理324
7.3.2干態(tài)預(yù)浸機(jī)的設(shè)計(jì)324
7.4雙鋼帶壓機(jī)的研制332
7.4.1雙鋼帶壓機(jī)的工作原理332
7.4.2雙鋼帶壓機(jī)的設(shè)計(jì)332
7.5快速熱壓成型系統(tǒng)的研制339
7.5.1快速熱壓成型生產(chǎn)線規(guī)劃339
7.5.2快速熱壓成型的關(guān)鍵設(shè)備342
7.5.3自動(dòng)化生產(chǎn)線集成化智能控制347
7.6復(fù)合材料自動(dòng)熱壓成型生產(chǎn)線的應(yīng)用355
參考文獻(xiàn)356
第8章碳纖維復(fù)合材料輕量化應(yīng)用技術(shù)357
8.1概述357
8.2碳纖維復(fù)合材料車身輕量化應(yīng)用技術(shù)358
8.2.1復(fù)合材料汽車車體設(shè)計(jì)技術(shù)360
8.2.2復(fù)合材料汽車車身制造技術(shù)362
8.2.3復(fù)合材料汽車部件連接裝配技術(shù)368
8.2.4碳纖維復(fù)合材料電動(dòng)示范車制造實(shí)例369
8.3碳纖維復(fù)合材料無(wú)人機(jī)輕量化應(yīng)用技術(shù)384
8.3.1復(fù)合材料無(wú)人機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)技術(shù)385
8.3.2復(fù)合材料無(wú)人機(jī)部件制造技術(shù)390
8.3.3復(fù)合材料無(wú)人機(jī)部件裝配技術(shù)405
8.3.4復(fù)合材料無(wú)人機(jī)部件性能測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)409
參考文獻(xiàn)411"
第1章聚丙烯腈基碳纖維制備與表征
1.1概述
碳纖維是一種絲狀的碳素材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高溫、耐腐蝕、X射線穿透性和生物相容性等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防、交通、能源、醫(yī)療器械以及體育休閑用品等領(lǐng)域[1]。早期的碳纖維可以追溯到1878年英國(guó)斯旺和1879年美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生兩人分別用棉纖維和竹纖維炭化制成電燈泡的燈絲，但真正實(shí)用的碳纖維直到20世紀(jì)50年代才登上歷史舞臺(tái)[2]。當(dāng)時(shí)正處于美蘇爭(zhēng)霸的冷戰(zhàn)時(shí)期，為了解決戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕的問(wèn)題，美國(guó)WrightPatterson空軍基地于1950年研制成功了黏膠基碳纖維。此后，在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起的碳纖維研究與開(kāi)發(fā)熱潮至今方興未艾。日本大阪工業(yè)研究所的進(jìn)藤昭男在1959年發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維的方法，日本群馬大學(xué)大谷杉郎則在1965年發(fā)明了瀝青基碳纖維，各種碳纖維制備技術(shù)相繼涌現(xiàn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了PAN、瀝青和黏膠三大碳纖維原料體系。其中，PAN基碳纖維因具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多、應(yīng)用最廣的一種碳纖維。
碳纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，是先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)體，通過(guò)與樹(shù)脂、碳、陶瓷、金屬等基體材料復(fù)合后可制得性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好和可大面積整體成型等特點(diǎn)，已在航空、航天、國(guó)防和民用工業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備不可或缺的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突防能力。碳纖維還是使大型民用飛機(jī)、汽車、高速列車等現(xiàn)代交通工具實(shí)現(xiàn)輕量化的理想材料。新型民用客機(jī)如空客A380和波音787都大量使用碳纖維復(fù)合材料，以減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)重量，從而大幅降低燃油消耗，減少二氧化碳排放。隨著碳纖維制備與應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳纖維在交通、能源、建筑、醫(yī)療、電子、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用步伐將不斷加快(圖1.1)。
2012年，全球碳纖維需求量約為4.35萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到13萬(wàn)噸，年均增長(zhǎng)率約為15%(圖1.2)。2012年全球碳纖維生產(chǎn)能力約為11.2萬(wàn)噸，其中日本東麗公司已將產(chǎn)能提高到2.11萬(wàn)噸/年，保持著世界領(lǐng)先地位(圖1.3)。碳纖維產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)張，不僅是為了應(yīng)對(duì)航空、國(guó)防和體育休閑用品等傳統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)需求的增長(zhǎng)，更多的是預(yù)期碳纖維在汽車、風(fēng)能、壓力容器等工業(yè)領(lǐng)域的用量將大幅增加。
圖1.1碳纖維需求發(fā)展趨勢(shì)[3]
圖1.2全球碳纖維年需求量[4]2013、2015和2020年為預(yù)測(cè)值
圖1.32012年碳纖維主要制造商的生產(chǎn)能力[4]
近年來(lái)隨著能源緊張、環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出，采用碳纖維復(fù)合材料的輕量化汽車技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料替代鋼材用于汽車車身結(jié)構(gòu)，可以使整車重量大幅減輕、燃油經(jīng)濟(jì)性顯著提高，同時(shí)還有利于提高汽車駕乘人員的安全性和舒適性。2012年，美國(guó)政府立法通過(guò)了最新的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)：在美銷售的小型汽車和輕型卡車到2017年燃油經(jīng)濟(jì)性需提高到15.1km/L，到2025年需進(jìn)一步提高到23.2km/L[5]。而提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性最有效的辦法之一就是采用碳纖維復(fù)合材料的輕量化車身技術(shù)。
為此，全球大型汽車制造商紛紛聯(lián)手碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，共同開(kāi)發(fā)車用碳纖維復(fù)合材料。德國(guó)寶馬汽車公司與大眾汽車公司競(jìng)相增持大絲束碳纖維供應(yīng)商德國(guó)西格里(SGL)公司的股份。美國(guó)福特汽車公司與陶氏化學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)車用高性能碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品。德國(guó)戴姆勒公司和日本東麗公司合資建廠生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料。美國(guó)通用公司與日本帝人公司簽署合作協(xié)議，聯(lián)合開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件。碳纖維終端用戶與碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之間的緊密合作，將有利于加快碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)在更多工業(yè)領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用[6]。2013年，寶馬汽車公司面向乘用車市場(chǎng)推出售價(jià)3.5萬(wàn)歐元左右的碳纖維復(fù)合材料電動(dòng)轎車BMW i3，開(kāi)啟了碳纖維在汽車工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用的新時(shí)代。
但是，碳纖維高昂的價(jià)格和有限的產(chǎn)量是制約其在汽車工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸。為此，美國(guó)能源部于2009年啟動(dòng)汽車輕質(zhì)材料計(jì)劃(Automotive Lightweight Materials Program)，在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ONRL)建立碳纖維技術(shù)中心，專門開(kāi)展低成本碳纖維研究。ONRL開(kāi)發(fā)的低成本碳纖維目標(biāo)是：碳纖維的拉伸強(qiáng)度≥250ksi(1.72GPa)，拉伸模量≥25Msi(172GPa)，斷裂伸長(zhǎng)率≥1%，銷售價(jià)格為11~15美元/kg[5]。ONRL主要試圖從兩方面降低碳纖維的成本：一是探索采用PAN以外的其他原材料用作低成本碳纖維的原絲，包括木質(zhì)素以及聚烯烴類高分子材料等；二是改進(jìn)現(xiàn)有的PAN基碳纖維工藝技術(shù)，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，包括采用紡織品級(jí)PAN纖維(即腈綸)，以及化學(xué)改性、等離子預(yù)氧化、微波輔助等離子炭化技術(shù)等。
盡管這些技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里都已取得了不錯(cuò)的結(jié)果，但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。目前，最看好的是腈綸基低成本碳纖維技術(shù)。因?yàn)樵诩夹g(shù)原理和工藝路線上，腈綸基碳纖維與高性能PAN基碳纖維是基本一致的。在現(xiàn)有的腈綸工業(yè)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)大規(guī)模、低成本的碳纖維制備技術(shù)是一條最為可行的技術(shù)路線。這也是ONRL對(duì)所有技術(shù)方案評(píng)估后確定的重點(diǎn)突破方向。但是，由于美國(guó)本土已不生產(chǎn)紡織用腈綸，ONRL只能與葡萄牙腈綸制造商Fisipe公司合作。由Fisipe公司提供腈綸，ONRL負(fù)責(zé)化學(xué)改性以及后續(xù)預(yù)氧化和炭化研究。腈綸基碳纖維同樣得到大絲束碳纖維生產(chǎn)商的青睞。SGL公司和Zoltek公司分別收購(gòu)了Fisipe公司和墨西哥腈綸制造商Cydsa公司，以擴(kuò)大其大絲束原絲的生產(chǎn)能力。而日本東麗公司已將Zoltek公司納入麾下，以彌補(bǔ)自身大絲束碳纖維技術(shù)的短板。東麗公司過(guò)去專注于高性能小絲束碳纖維和航空航天等高端應(yīng)用，而現(xiàn)在開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向具有規(guī)模和成本優(yōu)勢(shì)的大絲束碳纖維與工業(yè)應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)碳纖維研制工作起步較早，但在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)期里進(jìn)展緩慢。技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距明顯，僅能生產(chǎn)相當(dāng)于或者次于T300級(jí)碳纖維的產(chǎn)品[7]。而且，國(guó)產(chǎn)碳纖維普遍存在毛絲多、強(qiáng)度低、變異系數(shù)大等問(wèn)題。近幾年來(lái)在復(fù)合材料應(yīng)用需求的牽引下，碳纖維工程化技術(shù)進(jìn)步顯著，產(chǎn)業(yè)化取得積極進(jìn)展。在標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維方面，已形成數(shù)家單線產(chǎn)能達(dá)到500~1000噸/年的骨干企業(yè)；在中等模量碳纖維方面，已建成年產(chǎn)百噸規(guī)模生產(chǎn)線；高模量碳纖維正在進(jìn)行工程化技術(shù)攻關(guān)[6]。目前，國(guó)內(nèi)已基本形成以復(fù)合材料研制生產(chǎn)單位為牽引、科研院所為技術(shù)研發(fā)主體、多種投資主體的產(chǎn)業(yè)化基地構(gòu)成的國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用體系[8]。
碳纖維研制是一項(xiàng)多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要高度重視集成創(chuàng)新和工程化技術(shù)的突破。工程化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。國(guó)內(nèi)碳纖維研制工作起步并不晚，但之前一直未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其中主要原因之一是國(guó)內(nèi)偏重于基礎(chǔ)理論研究、而對(duì)工程化技術(shù)開(kāi)發(fā)重視不夠。碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程涉及很多工程技術(shù)問(wèn)題，如原料純化和回收、大容量聚合、多工位快速紡絲、大通道氧炭化、廢氣處理以及其他相關(guān)公用工程。只有突破這些工程化技術(shù)，才能成功實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室小試樣品制備到工業(yè)化放大生產(chǎn)的跨越，從而真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所于2008年組建了一支具有較強(qiáng)工程技術(shù)背景的碳纖維研究團(tuán)隊(duì)，并自主設(shè)計(jì)建設(shè)了具有工程化雛形的碳纖維及原絲研究平臺(tái)。經(jīng)過(guò)三年多的努力，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)中模型碳纖維關(guān)鍵制備技術(shù)的突破，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)了百噸級(jí)高性能碳纖維及原絲生產(chǎn)線。目前正在積極開(kāi)展工程化技術(shù)攻關(guān)研究，以期形成完整的碳纖維生產(chǎn)工藝、裝備和表征檢測(cè)技術(shù)，為國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
1.2聚丙烯腈原絲
PAN基碳纖維的核心技術(shù)之一在于其專用原絲的開(kāi)發(fā)。PAN原絲的質(zhì)量不僅制約碳纖維性能的提高，還影響其成本控制。一般認(rèn)為，碳纖維90%的性能和50%的成本歸因于PAN原絲。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制備高性能碳纖維的前提和基礎(chǔ)，這已成為碳纖維領(lǐng)域?qū)＜业墓沧R(shí)[9]。
PAN原絲的制備過(guò)程主要包括聚合和紡絲兩大工藝。按照聚合和紡絲工藝的連續(xù)性，可以將PAN原絲的制備方法分為一步法和二步法[10]。前者采用均相溶液聚合工藝，流程較短，工序較少，有利于獲得高質(zhì)量的PAN原絲，主要用來(lái)制備高性能PAN基碳纖維。圖1.4為典型的高性能PAN基碳纖維制備工藝流程。圖1.4高性能PAN基碳纖維制備工藝流程
1.2.1聚合
PAN均相溶液聚合一般以二甲基亞砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、硫氰酸鈉(NaSCN)水溶液或氯化鋅(ZnCl2)水溶液等PAN聚合物的良溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，采用偶氮類引發(fā)劑，反應(yīng)后制得均勻黏稠的PAN聚合物溶液，再經(jīng)脫單和脫泡處理，可直接用于紡絲，即一步法工藝。按照操作方式，PAN均相溶液聚合工藝又可以分為間歇式和連續(xù)式兩種，兩者各有利弊[1]。其中，間歇溶液聚合由于其具有較大的靈活性、開(kāi)車和停車比較簡(jiǎn)單、出現(xiàn)問(wèn)題容易處理的特點(diǎn)，成為目前PAN原絲生產(chǎn)的主流技術(shù)。
圖1.5為典型的間歇溶液聚合工藝流程示意圖，主要包括聚合、脫單和脫泡三大工序，流程較短。但是，與連續(xù)溶液聚合相比，間歇溶液聚合存在聚合產(chǎn)物分子量分布較寬、調(diào)控較難的問(wèn)題。隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，聚合產(chǎn)物的分子量分布不斷寬化。同時(shí)，聚合液的黏度也迅速升高，對(duì)傳質(zhì)傳熱提出了很高的要求。欠佳的傳質(zhì)傳熱狀態(tài)將使分子量分布進(jìn)一步變寬，并破壞聚合液的均質(zhì)性，對(duì)PAN原絲及碳纖維的性能和質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
圖1.5間歇溶液聚合工藝流程示意圖1聚合；2脫單；3脫泡
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