碳纖維的制作過程課件

8碳纖維8.1概述8.2碳纖維的分類與制造8.3碳纖維的結構與性能8.4碳纖維的表面處理碳纖維的制作過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程碳纖維由有機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。碳纖維的制作過程制造的方法：將有機纖維經(jīng)過穩(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行焙燒碳化，使有機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)長纖維。氣相法在惰性氣氛中將小分子有機物(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，不能用于制造長纖維。有機纖維碳化法碳纖維的制作過程以聚丙烯腈（PAN）為原料制造的碳纖維預氧化：200℃～300℃的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進行PAN原絲制備碳纖維的過程分為三個階段：碳纖維的制作過程PAN的Tg低于100℃，分解前會軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進行碳化。先在空氣中進行預氧化處理，使PAN的結構轉化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結構，就不易熔融。另外，當加熱足夠長的時間，將產(chǎn)生纖維吸氧作用，形成PAN纖維分子間的化學鍵合。進行預氧化處理的原因：碳纖維的制作過程在400℃～1900℃的惰性氣氛中進行，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纖維的結構，形成了碳纖維。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。碳化：碳纖維的制作過程碳纖維的制作過程碳纖維的制作過程在2500℃～3000℃的溫度下，密封裝置，施加壓力，保護氣體中進行。目的是使纖維中的結晶碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進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程碳纖維的表面處理表面處理目的：提高碳纖維增強復合材料中碳纖維與基體的結合強度。途徑：

清除表面雜質；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構以增加表面能；引進具有極性或反應性官能團；形成能與樹脂起作用的中間層。碳纖維的制作過程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程原因：液相時只氧化纖維表面，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，處理時間長，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，條件適當時，復合材料的剪切強度可增加1倍以上，而纖維的強度僅略有下降。碳纖維的制作過程10芳綸纖維10.1概述10.2芳綸纖維的結構與特性10.3芳綸纖維的制造10.4凱芙拉纖維的制品10.5

芳綸纖維及其復合材料的應用碳纖維的制作過程高強度、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，國外商品牌號為凱芙拉(Kevlar)纖維(美國杜邦公司1968年開始研究，1973年研制成功)，我國命名為芳綸纖維。特點：10.1概述碳纖維的制作過程芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。1968年美國杜邦公司開始研制。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)的復合材料制件。主要用于橡膠增強，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等碳纖維的制作過程優(yōu)點（1）不熔融（2）高溫能保持高強度與高彈性模量（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，在有機溶劑及油中性能不下降（6）耐疲勞性，耐磨性好（7）對放射性線的抵抗性大（8）非導電、且誘電性能優(yōu)越（9）與無機纖維相比振動吸收性好、減衰速度快碳纖維的制作過程缺點(1)壓縮性差，壓縮強度僅有不到拉伸強度的1/5。(2)紫外線照射時強度大幅下降。碳纖維的制作過程10.2芳綸纖維的結構與特性10.2.1芳綸纖維的結構對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程(1)聚對苯甲酰胺(聚對胺基苯甲酰)纖維Poly(P-benzamide)簡稱PBA纖維。對位芳香族聚酰胺纖維碳纖維的制作過程(2)聚對苯二甲酰對苯二胺纖維Poly(P-Phenleneterephthalamide)簡稱PPTA纖維碳纖維的制作過程(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，耐高溫的蜂窩結構。特點高溫性能好，高溫下的強度保持率好，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，耐化學試劑，絕熱性能也較好。缺點強度和模量低，耐光性較差。碳纖維的制作過程(2)聚N,N-間苯雙-(間苯甲酰胺)對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程芳香族聚酰胺共聚纖維為制得更高強度和模量的纖維，改進纖維的耐疲勞性能，采用各種芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對苯二酰氯和對苯二胺共聚。尚處于研制和試生產(chǎn)階段。碳纖維的制作過程芳綸纖維的分子結構芳綸纖維是苯二甲酰與苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉為液晶紡絲而成。碳纖維的制作過程分子鏈由苯環(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，各聚合物鏈是由氫鍵作橫向連結。

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

芳綸纖維的特點是拉伸強度高，初始模量很高，而延伸率較低。

單絲強度可達3773MPa；254mm長的纖維束的拉伸強度為2744MPa，大約為鋁的5倍。芳綸纖維的拉伸強度約為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當或略高。拉伸模量僅次于碳纖維和硼纖維。A、芳綸纖維的力學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。碳纖維的制作過程

芳綸纖維的彈性模量高，可達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在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。碳纖維的制作過程芳綸與各種纖維性能比較纖維名稱密度(g/cm3)拉伸強度(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碳纖維的制作過程芳綸纖維的強度和模量高，密度低，因而此種增強纖維有很高的比強度和比模量。各類增強纖維比強度比模量碳纖維的制作過程芳綸細紗在水中浸泡5min，而后在21℃水中測定其拉伸性能，幾乎沒有影響。在88℃水中的強度有所下降，強度保留率為21℃水中的85%。水中的強度保留率高：收縮率和膨脹率小具有良好的耐應力開裂性能，能在很長的時間內保留很大的極限抗拉強度。碳纖維的制作過程由于芳綸不熔融也不助燃，短時間內暴露在300℃以上，對于強度幾乎沒有影響。在-170℃的低溫下也不會變脆，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，當溫度達487℃時尚不熔化，但開始碳化。碳纖維的制作過程性能數(shù)據(jù)性能數(shù)據(jù)在空氣中高溫下長期使用溫度(℃)160在100℃空氣中113.6分解溫度(℃)500在200℃空氣中110.3拉伸強度(MPa)收縮率(%)4×10-4在室溫下16個月無強度損失熱膨脹系數(shù)(10-6℃-1)在50℃空氣中2個月無強度損失縱向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)室溫導熱系數(shù)[W/(m·K)]在室溫下16個月無強度損失垂直于纖維的熱流4.11×10-2在50℃空氣中2個月無強度損失平行于纖維的熱流4.816×10-2芳綸細紗和粗紗的熱性能碳纖維的制作過程和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點。如，芳綸纖維的縱向熱膨脹系數(shù)在0~100℃時為-2

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10-6/℃；在100~200℃時為-4×10–6/℃。橫向熱膨脹系數(shù)為59×10-6/℃碳纖維的制作過程芳綸的濕強度幾乎與干強度相等。對飽和水蒸氣的穩(wěn)定性，比其它有機纖維好。芳綸對紫外線是比較敏感的。若長期裸露在陽光下，其強度損失很大，因此應加能阻擋紫外光的保護層。Ｃ、芳綸纖維的化學性能

芳綸纖維具有良好的耐介質性能，對中性化學藥品的抵抗力一般是很強的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕。碳纖維的制作過程KevIar纖維表面缺少化學活性基團，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，提高表面活性及表面能，顯著地改善對樹脂的浸潤性和反應性，增加界面粘結強度。碳纖維的制作過程芳綸在各種化學藥品中的穩(wěn)定性化學試劑濃度(%)溫度(℃)時間(h)強度損失(%)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碳纖維的制作過程化學試劑濃度(%)溫度(℃)時間(h)強度損失(%)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自來水10010010002海水100一年1.51.5過熱水100138409.3飽和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.6碳纖維的制作過程10.3芳綸纖維的制造兩個階段第一階段對苯二胺與對苯二甲酸酰氯縮聚成對苯撐對苯二甲酰胺的聚合體。1.聚對苯撐對苯二甲酰胺的聚合碳纖維的制作過程第二階段聚合體溶解在溶劑中再進行紡絲，制得所需要的纖維材料。碳纖維的制作過程簡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。為防止對苯二甲酰的水解，反應體系及溶劑中的含水量要嚴格控制。低溫溶液縮聚法，不能用熔融縮聚法原因：聚對苯撐對苯二甲酰胺是剛性鏈分子，分子鏈段的自由旋轉受到阻礙，玻璃化溫度與熔點溫度較高。碳纖維的制作過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。將對苯二胺與對苯酰氯蒸汽保持在325℃，與加熱到200℃的氯氣混合，反應器的溫度保持在202℃到250℃之間，反應后進行冷卻，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角度來研究，又有晶體的性質。液晶是介于固體和液體之間的中間相物質。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程近晶型近晶型棒狀分子通過垂直于分子長軸方向的強相互作用，互相平行排列成層狀結構，分子軸垂直于層面。棒狀分子只能在層內活動。碳纖維的制作過程向列型向列型

棒狀分子雖然也平行排列，但長短不一，不分層次，只有一維有序性，在外力作用下發(fā)生流動時，棒狀分子易沿流動方向取向，并可流動取向中互相穿越。碳纖維的制作過程膽甾型膽甾型棒狀分子分層平行排列，每個單層內分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分子長軸依次有規(guī)則地扭轉一定角度，分子長軸在旋轉360o后復原。碳纖維的制作過程對于紡絲來說，應用向列態(tài)液晶。此種液晶分子溶液在流動取向相中相互穿越，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