碳纖維材料概述

熔融紡絲熔融紡絲，是以聚合物熔體為原料，采用熔融紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲的一種成型方法。PAN的原絲是以丙烯腈為主要鏈結(jié)構(gòu)單元的聚合物加工而成，但是由于聚丙烯腈的熔點(diǎn)高達(dá)317攝氏度，往往還未熔融就已經(jīng)被分解，因此，想要實(shí)現(xiàn)PAN碳纖維的熔融紡絲，必須先克服聚丙烯腈的分解溫度低于其熔點(diǎn)的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯腈的高熔點(diǎn)主要是氰基之間因偶極作用而產(chǎn)生的鏈僵硬和偶合導(dǎo)致的，因此只要降低氰基間的偶極作用就可以達(dá)到目的。經(jīng)過(guò)多年研究，目前主要存在兩種對(duì)聚丙烯腈改性的方法，一種是增塑熔融紡絲，另一種是非增塑熔融紡絲。增塑熔融紡絲是通過(guò)在PAN粉墨中加入增塑劑來(lái)降低PAN的熔點(diǎn)，目前有兩種主流的增塑方法：一是水及其他溶液增塑；二是采用丙烯酸甲酯等單體與丙烯腈共聚增塑。共聚增塑是通過(guò)改變共聚單體的方式來(lái)達(dá)到期望的目標(biāo)聚合物的性能和最終使用要求，丙烯酸甲酯是最常用的共聚單體，它可以破壞聚丙烯腈的遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)，降低共聚物熔點(diǎn)，拓寬熔融加工溫度。將其以一定比例混合后具有熱塑性材料的性質(zhì)，在這種情況下熔融擠出成型的擠出物不需要凝固就可以冷卻固化，可以直接卷繞而無(wú)需通過(guò)凝固浴。聚丙烯腈-丙烯酸甲酯增塑熔體的極限溫度為220攝氏度，最佳上限為200攝氏度，若溫度超過(guò)220攝氏度，聚丙烯腈會(huì)發(fā)生降解，且熔體粘度會(huì)因發(fā)生交聯(lián)和環(huán)化反應(yīng)而隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。水增塑是研究時(shí)間最長(zhǎng)，研究最深入的一種增塑方法。目前多令聚丙烯腈和定量的水在一定壓力和溫度下形成熔融體，再用擠壓機(jī)將其壓入紡絲組件，噴入甬道并拉伸。這樣制得的纖維既可用于針織、毛毯和毛線等生產(chǎn)生活用品；還可作為碳纖維原絲，可用于制造航天級(jí)碳纖維和耐熱纖維。這種方法不但廉價(jià)環(huán)保，且可以省去溶劑回收程序，但該方法對(duì)設(shè)備要求極高，且可熔紡的溫度范圍較窄，工藝控制難度高，至今仍未在工業(yè)化領(lǐng)域廣泛推廣使用。干噴濕紡干噴一濕法紡絲是指兼有干噴和濕紡特點(diǎn)的溶液紡絲法，聚丙烯腈溶液從紡絲組件擠出后經(jīng)過(guò)空氣段進(jìn)入凝固浴中成形，在經(jīng)由牽伸、水洗及干燥熱定型后制備出具有一定性能的PAN纖維原絲。由于紡絲液是經(jīng)噴絲孔噴出后先經(jīng)過(guò)一段空氣層在進(jìn)入凝固浴，擠出脹大和凝固過(guò)程被分離，產(chǎn)生的表面薄層減緩了雙擴(kuò)散效應(yīng)，這樣制得的原絲集合了干法紡絲和濕法紡絲所得的原絲優(yōu)點(diǎn)，缺陷少，致密性高，可制得高性能碳纖維，從而為制得具有更高更佳性能的各類產(chǎn)品奠定產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。早在上世紀(jì)60年代，日本科學(xué)家就提出了干噴濕紡技術(shù)。當(dāng)時(shí)我國(guó)的碳纖維研究也同時(shí)啟動(dòng)，但由于生產(chǎn)工藝涉及方面多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)難度高，核心技術(shù)遭國(guó)際封鎖，導(dǎo)致我國(guó)所生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量和性能均較差，達(dá)不到工業(yè)化產(chǎn)業(yè)化需求。直到2000年，“PAN碳纖維發(fā)展對(duì)策研究“課題組成立，中復(fù)神鷹聯(lián)合東華大學(xué)和江蘇鷹游紡有限公司開(kāi)展了歷時(shí)12年攻堅(jiān)之戰(zhàn)。目前已經(jīng)成功成為了世界上第三個(gè)掌握干噴濕紡技術(shù)的公司，產(chǎn)出的碳纖維