碳纖維(CF)是無(wú)機類(lèi)高強高模纖維的代表，最初以纖維增強復合材料形式廣泛用于宇航、飛機結構材料中，現在成功應用于球拍、山地自行車(chē)等體育運動(dòng)器材和工業(yè)領(lǐng)域。

在碳纖維的化學(xué)成分中，碳元素占總質(zhì)量的90%以上。由于碳元素耐高溫，對大多數化學(xué)試劑是惰性的，高溫下不熔融，在各種溶劑中也不溶解，所以碳纖維不能用一般的熔融紡絲法和溶液紡絲法制造，長(cháng)絲型的碳纖維只能通過(guò)高分子有機纖維的固相炭化而制得。碳的八面品體是金剛石，六邊形網(wǎng)狀結構是石墨。石墨纖維的結晶構造給予人們很大的啟示。在碳纖維中石墨結構彼此相對隨機取向，并隨加工條件而不同。

已經(jīng)發(fā)現，用來(lái)制備碳纖維的有機纖維相當多，如纖維素纖維、聚丙烯纖維、聚氯乙烯纖維、聚酰胺纖維、聚苯并咪唑纖維以及瀝青纖維等，但是由于炭化得率、生產(chǎn)技術(shù)的難易和成本等原因，實(shí)際上只有纖維素纖維、聚丙烯腈纖維及瀝青纖維為原絲制造碳纖維的方法實(shí)現了工業(yè)化。近期誕生的碳納米管實(shí)際上是極其微小的純碳纖維，有很多獨TE的物理性能，可稱(chēng)作超級纖維。

一、聚丙烯腈基碳纖維

用聚丙烯腈(PAN)纖維為原絲制取碳纖維的方法，其生產(chǎn)量已達到51000t/a，占碳纖維總量的85%以上，說(shuō)明PAN原絲是十分適宜制造碳纖維的。該工藝所用PAN 原料豐富，生產(chǎn)工藝比較成熟，產(chǎn)品的機械性能優(yōu)良，所以得到迅速發(fā)展。

(一) 制造工藝

PAN 基碳纖維制造的整個(gè)工藝流程(圖1-1)可以劃分為原絲的制備、預氧化、碳化和后處理四個(gè)階段。

圖1-1PAN基碳纖維制造的工藝流程

1. 聚丙烯腈原絲的制備

制造碳纖維用的PAN原絲，是影響碳纖維質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，要求PAN 原絲強度高，熱轉化性能好，幾乎去除所有的小雜質(zhì)，原絲的結構缺陷少，線(xiàn)密度均勻。

(1) 聚合時(shí)加入少量共聚單體，使原絲預氧化時(shí)既有利于鏈狀大分子的環(huán)化作用，又能緩和熱化學(xué)反應的激烈程度，使預氧化反應容易控制。加入的共聚單體有甲基丙烯酸、順丁烯二酸、甲基反丁烯酸等不飽和羧酸類(lèi)單體，它們的含量在0.5%~3%。

(2) 一般采用濕法紡絲，不用干法紡絲，因為干法生產(chǎn)的纖維中的溶劑不容易洗凈，如果纖維中殘留少量溶劑，在預氧化及炭化熱處理時(shí)，溶劑的揮發(fā)或熱分解會(huì )造成原絲的內部缺陷和纖維之間粘連，影響最終碳纖維的質(zhì)量，這也說(shuō)明紡絲過(guò)程中水洗工序的重要。近年也有采用干濕法紡絲的，紡絲原液從噴絲孔流出后，先經(jīng)過(guò)一小段空氣層再進(jìn)入凝固浴。此法可以提高紡絲液濃度，在空氣層中增加有效拉伸作用，不僅提高了紡絲速度，而且使纖維的取向度很高，結構均勻致密，可得到高質(zhì)量的PAN原絲。近期在紡絲后再采用加壓蒸汽拉伸、多段拉伸來(lái)提高纖維的致密性和強度。

(3) 制造碳纖維原絲時(shí)，要求所使用的單體、水、溶劑等原料純度高，車(chē)間內無(wú)塵，容器設備耐腐蝕，使原絲中雜質(zhì)含量(包括金屬離子含量)降到zui低，因為雜質(zhì)會(huì )增加原絲缺陷，降低碳纖維的性能(表1-2)。

表1-2 PAN原絲含雜對碳纖維強度的影響

(4) 原絲細特化和規?；?。原絲質(zhì)量的變異系數要小，這樣有利于原絲的結構均勻，在預氧化和炭化熱處理時(shí)反應完，質(zhì)量穩定。

碳纖維后處理原絲（致研科技碳纖維紡絲后處理評價(jià)線(xiàn)）