碳纖維的制作過(guò)程課件

8碳纖維8.1概述8.2碳纖維的分類與制造8.3碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能8.4碳纖維的表面處理碳纖維的制作過(guò)程碳纖維概念碳纖維的制作方法以聚丙烯腈(PAN)為原料制造的碳纖維碳纖維的表面處理碳纖維的制作過(guò)程碳纖維由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫(1500oC)碳化而成的纖維狀碳化合物，其碳含量在90%以上。碳纖維的制作過(guò)程制造的方法：將有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法用于制造連續(xù)長(zhǎng)纖維。氣相法在惰性氣氛中將小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。此法用于制造晶須或短纖維，不能用于制造長(zhǎng)纖維。有機(jī)纖維碳化法碳纖維的制作過(guò)程以聚丙烯腈（PAN）為原料制造的碳纖維預(yù)氧化：200℃～300℃的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進(jìn)行PAN原絲制備碳纖維的過(guò)程分為三個(gè)階段：碳纖維的制作過(guò)程PAN的Tg低于100℃，分解前會(huì)軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進(jìn)行碳化。先在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化處理，使PAN的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結(jié)構(gòu)，就不易熔融。另外，當(dāng)加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，將產(chǎn)生纖維吸氧作用，形成PAN纖維分子間的化學(xué)鍵合。進(jìn)行預(yù)氧化處理的原因：碳纖維的制作過(guò)程在400℃～1900℃的惰性氣氛中進(jìn)行，碳纖維生成的主要階段。除去大量的氮、氫、氧等非碳元素，改變了原PAN纖維的結(jié)構(gòu)，形成了碳纖維。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。碳化：碳纖維的制作過(guò)程碳纖維的制作過(guò)程碳纖維的制作過(guò)程在2500℃～3000℃的溫度下，密封裝置，施加壓力，保護(hù)氣體中進(jìn)行。目的是使纖維中的結(jié)晶碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進(jìn)一步減小以提高碳纖維的彈性模量。石墨化碳纖維的制作過(guò)程碳纖維的表面處理表面處理目的：提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。途徑：

清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)；形成能與樹(shù)脂起作用的中間層。碳纖維的制作過(guò)程1.表面清潔法2.氣相氧化法3.液相氧化法4.表面涂層法碳纖維的制作過(guò)程原因：液相時(shí)只氧化纖維表面，而氣相氧化劑可能滲透較深，尤其在表面有微裂和缺陷處。但液相氧化多為間歇操作，處理時(shí)間長(zhǎng)，操作繁雜，難以和碳纖維生產(chǎn)線直接相連接。液相氧化法與氣相氧化法比較：液相氧化的效果比氣相氧化法好，條件適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度可增加1倍以上，而纖維的強(qiáng)度僅略有下降。碳纖維的制作過(guò)程10芳綸纖維10.1概述10.2芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與特性10.3芳綸纖維的制造10.4凱芙拉纖維的制品10.5

芳綸纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用碳纖維的制作過(guò)程高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度芳綸纖維：芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國(guó)外商品牌號(hào)為凱芙拉(Kevlar)纖維(美國(guó)杜邦公司1968年開(kāi)始研究，1973年研制成功)，我國(guó)命名為芳綸纖維。特點(diǎn)：10.1概述碳纖維的制作過(guò)程芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。1968年美國(guó)杜邦公司開(kāi)始研制。1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD--49命名的纖維。1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。ARAMID纖維包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。PRD--49--IV改稱為芳綸--29；PRD--49--III改稱為芳綸--49；B纖維改稱為芳綸。主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等碳纖維的制作過(guò)程優(yōu)點(diǎn)（1）不熔融（2）高溫能保持高強(qiáng)度與高彈性模量（3）耐熱、不易燃燒（4）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變（5）耐藥性好，在有機(jī)溶劑及油中性能不下降（6）耐疲勞性，耐磨性好（7）對(duì)放射性線的抵抗性大（8）非導(dǎo)電、且誘電性能優(yōu)越（9）與無(wú)機(jī)纖維相比振動(dòng)吸收性好、減衰速度快碳纖維的制作過(guò)程缺點(diǎn)(1)壓縮性差，壓縮強(qiáng)度僅有不到拉伸強(qiáng)度的1/5。(2)紫外線照射時(shí)強(qiáng)度大幅下降。碳纖維的制作過(guò)程10.2芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與特性10.2.1芳綸纖維的結(jié)構(gòu)對(duì)位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺共聚纖維碳纖維的制作過(guò)程(1)聚對(duì)苯甲酰胺(聚對(duì)胺基苯甲酰)纖維Poly(P-benzamide)簡(jiǎn)稱PBA纖維。對(duì)位芳香族聚酰胺纖維碳纖維的制作過(guò)程(2)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維Poly(P-Phenleneterephthalamide)簡(jiǎn)稱PPTA纖維碳纖維的制作過(guò)程(1)聚間苯二甲酰間苯二胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維碳纖維的制作過(guò)程用途：主要用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)高溫性能好，高溫下的強(qiáng)度保持率好，以及尺寸穩(wěn)定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化學(xué)試劑，絕熱性能也較好。缺點(diǎn)強(qiáng)度和模量低，耐光性較差。碳纖維的制作過(guò)程(2)聚N,N-間苯雙-(間苯甲酰胺)對(duì)苯二甲酰胺纖維主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料碳纖維的制作過(guò)程芳香族聚酰胺共聚纖維為制得更高強(qiáng)度和模量的纖維，改進(jìn)纖維的耐疲勞性能，采用各種芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對(duì)苯二酰氯和對(duì)苯二胺共聚。尚處于研制和試生產(chǎn)階段。碳纖維的制作過(guò)程芳綸纖維的分子結(jié)構(gòu)芳綸纖維是苯二甲酰與苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為液晶紡絲而成。碳纖維的制作過(guò)程分子鏈由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律排列而成，具有良好的規(guī)整性。致使芳綸纖維具有高度的結(jié)晶性。鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)。

沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低。碳纖維的制作過(guò)程纖維的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，使它的分子鏈難于旋轉(zhuǎn)。高聚物分子不能折疊，又呈伸展?fàn)顟B(tài)．形成棒狀結(jié)構(gòu)，從而使纖維具有很高的模量。聚合物的線性結(jié)構(gòu)使分子間排列得十分緊密，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物分子。這種高的密實(shí)性使纖維具有較高的強(qiáng)度。高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度高模量高強(qiáng)度碳纖維的制作過(guò)程苯環(huán)結(jié)構(gòu)由于環(huán)內(nèi)電子的共軛作用，使纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性，不發(fā)生高溫分解。又由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的剛性，使高聚物具有晶體的本質(zhì)，使纖維具有高溫尺寸的穩(wěn)定性。耐高溫碳纖維的制作過(guò)程10.2.2芳綸纖維的基本性能A、芳綸纖維的力學(xué)性能；Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性；Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能。碳纖維的制作過(guò)程

芳綸纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高，初始模量很高，而延伸率較低。

單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長(zhǎng)的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍。芳綸纖維的拉伸強(qiáng)度約為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量?jī)H次于碳纖維和硼纖維。A、芳綸纖維的力學(xué)性能芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。碳纖維的制作過(guò)程

芳綸纖維的彈性模量高，可達(dá)1.27~1.577MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。

芳綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。碳纖維的制作過(guò)程芳綸與各種纖維性能比較纖維名稱密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(MPa)初始拉伸模量(GPa)延伸率(%)Nomex1.380.6617.422Kevlar1.43~1.443.2264.81.43~1.44Kevlar-291.442.8263.23.6Kevlar-491.443.82126.62.4芳綸Ⅱ1.442.6~3.39~122~3.2芳綸Ⅰ1.4652.8~3.415~161.8~2.2尼龍61.140.66~0.970.28~0.5116~25尼龍661.140.61~0.970.22~0.6016~28滌綸1.380.78~1.121.12~1.997~17丙綸0.900.24~0.660.15~0.3320~80碳纖維M401.812.1400.5碳纖維T5001.743.2251.3碳纖維T3001.752.8231.2E玻璃纖維2.541.0~3.072.5~4高強(qiáng)2#玻璃纖維2.543.0~3.48.3~8.5硼纖維3.93.538~400.5~0.8氧化鋁纖維1.4~1.8380.4碳纖維的制作過(guò)程芳綸纖維的強(qiáng)度和模量高，密度低，因而此種增強(qiáng)纖維有很高的比強(qiáng)度和比模量。各類增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度比模量碳纖維的制作過(guò)程芳綸細(xì)紗在水中浸泡5min，而后在21℃水中測(cè)定其拉伸性能，幾乎沒(méi)有影響。在88℃水中的強(qiáng)度有所下降，強(qiáng)度保留率為21℃水中的85%。水中的強(qiáng)度保留率高：收縮率和膨脹率小具有良好的耐應(yīng)力開(kāi)裂性能，能在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保留很大的極限抗拉強(qiáng)度。碳纖維的制作過(guò)程由于芳綸不熔融也不助燃，短時(shí)間內(nèi)暴露在300℃以上，對(duì)于強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。在-170℃的低溫下也不會(huì)變脆，仍能保持其性能。Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性

芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，在180℃的溫度下，仍能很好的保持其性能，當(dāng)溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開(kāi)始碳化。碳纖維的制作過(guò)程性能數(shù)據(jù)性能數(shù)據(jù)在空氣中高溫下長(zhǎng)期使用溫度(℃)160在100℃空氣中113.6分解溫度(℃)500在200℃空氣中110.3拉伸強(qiáng)度(MPa)收縮率(%)4×10-4在室溫下16個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失熱膨脹系數(shù)(10-6℃-1)在50℃空氣中2個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失縱向0~1000℃12在100℃空氣中3170橫向0~100℃59在200℃空氣中2720室溫比熱容[J/(g·℃)]1.42拉伸模量(GPa)室溫導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]在室溫下16個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失垂直于纖維的熱流4.11×10-2在50℃空氣中2個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失平行于纖維的熱流4.816×10-2芳綸細(xì)紗和粗紗的熱性能碳纖維的制作過(guò)程和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)。如，芳綸纖維的縱向熱膨脹系數(shù)在0~100℃時(shí)為-2

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10-6/℃；在100~200℃時(shí)為-4×10–6/℃。橫向熱膨脹系數(shù)為59×10-6/℃碳纖維的制作過(guò)程芳綸的濕強(qiáng)度幾乎與干強(qiáng)度相等。對(duì)飽和水蒸氣的穩(wěn)定性，比其它有機(jī)纖維好。芳綸對(duì)紫外線是比較敏感的。若長(zhǎng)期裸露在陽(yáng)光下，其強(qiáng)度損失很大，因此應(yīng)加能阻擋紫外光的保護(hù)層。Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能

芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強(qiáng)的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕。碳纖維的制作過(guò)程KevIar纖維表面缺少化學(xué)活性基團(tuán)，用等離子體空氣或氯氣處理纖維表面，可使Kevlar纖維表面形成一些含氧或含氮的官能團(tuán)，提高表面活性及表面能，顯著地改善對(duì)樹(shù)脂的浸潤(rùn)性和反應(yīng)性，增加界面粘結(jié)強(qiáng)度。碳纖維的制作過(guò)程芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性化學(xué)試劑濃度(%)溫度(℃)時(shí)間(h)強(qiáng)度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸99.721240鹽酸37211007263鹽酸372110008881氫氟酸1021100106硝酸10211007977硫酸1021100912硫酸102110005931氫氧化鈉102110007453氫氧化鈉2821100097碳纖維的制作過(guò)程化學(xué)試劑濃度(%)溫度(℃)時(shí)間(h)強(qiáng)度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮10021100031乙醇10021100010三氯乙烯10021241.5甲乙酮10021240變壓油100605004.60煤油100605009.90自來(lái)水10010010002海水100一年1.51.5過(guò)熱水100138409.3飽和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.6碳纖維的制作過(guò)程10.3芳綸纖維的制造兩個(gè)階段第一階段對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚成對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合體。1.聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合碳纖維的制作過(guò)程第二階段聚合體溶解在溶劑中再進(jìn)行紡絲，制得所需要的纖維材料。碳纖維的制作過(guò)程簡(jiǎn)單流程圖常選用溶劑：六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。為防止對(duì)苯二甲酰的水解，反應(yīng)體系及溶劑中的含水量要嚴(yán)格控制。低溫溶液縮聚法，不能用熔融縮聚法原因：聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺是剛性鏈分子，分子鏈段的自由旋轉(zhuǎn)受到阻礙，玻璃化溫度與熔點(diǎn)溫度較高。碳纖維的制作過(guò)程低溫溶液縮聚法可得到特性粘度大于5的聚合體，但生產(chǎn)效率低。溶劑（HMPA)有毒，因此又發(fā)展了氣相縮聚方法。將對(duì)苯二胺與對(duì)苯酰氯蒸汽保持在325℃，與加熱到200℃的氯氣混合，反應(yīng)器的溫度保持在202℃到250℃之間，反應(yīng)后進(jìn)行冷卻，然后分離可得到聚合物，其特性粘度為3.1。碳纖維的制作過(guò)程2.紡絲工藝液晶從宏觀性能上看屬于液體，但從微觀角度或光學(xué)角度來(lái)研究，又有晶體的性質(zhì)。液晶是介于固體和液體之間的中間相物質(zhì)。液晶紡絲工藝液晶分類近晶型向列型膽甾型碳纖維的制作過(guò)程近晶型近晶型棒狀分子通過(guò)垂直于分子長(zhǎng)軸方向的強(qiáng)相互作用，互相平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子軸垂直于層面。棒狀分子只能在層內(nèi)活動(dòng)。碳纖維的制作過(guò)程向列型向列型

棒狀分子雖然也平行排列，但長(zhǎng)短不一，不分層次，只有一維有序性，在外力作用下發(fā)生流動(dòng)時(shí)，棒狀分子易沿流動(dòng)方向取向，并可流動(dòng)取向中互相穿越。碳纖維的制作過(guò)程膽甾型膽甾型棒狀分子分層平行排列，每個(gè)單層內(nèi)分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分子長(zhǎng)軸依次有規(guī)則地扭轉(zhuǎn)一定角度，分子長(zhǎng)軸在旋轉(zhuǎn)360o后復(fù)原。碳纖維的制作過(guò)程對(duì)于紡絲來(lái)說(shuō)，應(yīng)用向列態(tài)液晶。此種液晶分子溶液在流動(dòng)取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液體低。聚合物PPTA在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序緊密排列，也就是纖維中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這