一文簡要了解碳纖維的制造工藝?

盡管許多復(fù)合材料用戶會使用碳纖維，但不少人卻不了解碳纖維的制造方法，因為碳纖維生產(chǎn)商會對自己產(chǎn)品的生產(chǎn)方式保守秘密。每個生產(chǎn)商的碳纖維都與其競爭對手的產(chǎn)品不同，而賦予每個品牌標(biāo)志性特征的加工細(xì)節(jié)則被認(rèn)為是知識產(chǎn)權(quán)。

眾所周知，碳纖維的制造過程既困難又昂貴。建設(shè)一條世界一流的生產(chǎn)線以及設(shè)備組裝需要大量資本，僅設(shè)備一項就至少需要2500萬美元，并且最多可能需要兩年的時間才能投入運(yùn)行。因此，實(shí)際的成本可能更高。

例如總部位于東京的三菱人造絲有限公司（MRC）計劃對大竹生產(chǎn)設(shè)施計劃投資1億美元，建筑總面積為87.4萬平方米，為期三年，通過擴(kuò)建以后，該生產(chǎn)線每年可生產(chǎn)多達(dá)9,072噸碳纖維。截止目前，全球PAN基碳纖維領(lǐng)先的生產(chǎn)商僅僅為十幾家。

金屬材料具有均質(zhì)特性，并且具有符合既定標(biāo)準(zhǔn)的特性，也就是說每個生產(chǎn)商生產(chǎn)的P20鋼性能接近，并可以與其他生產(chǎn)商互換。但是，碳纖維生產(chǎn)商生產(chǎn)的產(chǎn)品相似但不相同，如碳纖維的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等各不相同。

PAN基碳纖維現(xiàn)可提供低模量（<32 Msi）、標(biāo)準(zhǔn)模量（33至36 Msi）、中模量（40至50 Msi）、高模量（50至70 Msi） ）和超高模量（70至140 Msi）等規(guī)格。碳纖維作為束絲，按照絲束規(guī)格，其產(chǎn)品范圍從1K到350K（1K等于1,000根細(xì)絲，直徑范圍從5到10微米），此外產(chǎn)品的碳含量和表面處理/上漿類型也不同。

就制造工藝而言，用最簡單的話說，碳纖維是通過惰性氣體中在高于982°C / 1800°F的溫度下熱解有機(jī)前體纖維而制成的。然而，碳纖維制造是一項復(fù)雜的工作，需要經(jīng)歷聚合和紡絲、氧化（也稱為穩(wěn)定化）、碳化（制備高模量碳纖維時需要增加石墨化工藝）、表面處理和上漿。

該過程始于稱為前驅(qū)體的聚合物原料，如今，約有10％的碳纖維是由人造絲或瀝青前驅(qū)體制成的，而絕大部分由聚丙烯腈（PAN）衍生而來，后者是由丙烯腈制成的，而丙烯腈則是由商品化學(xué)品丙烯和氨氣衍生而來的。本文主要介紹了PAN基碳纖維制造流程。

長期以來，通過將PAN轉(zhuǎn)換為碳纖維一直對生產(chǎn)商構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為碳纖維生產(chǎn)商的大部分投資都花在了前驅(qū)體上，而成品碳纖維的質(zhì)量也直接取決于前驅(qū)體的質(zhì)量。通常，前驅(qū)體配制以丙烯腈單體開始，其在反應(yīng)器中與增塑的丙烯酸共聚單體和催化劑，如衣康酸、二氧化硫酸、硫酸或甲基丙烯酸結(jié)合，連續(xù)攪拌會混合成分，確保黏度和純度，并引發(fā)丙烯腈分子結(jié)構(gòu)內(nèi)自由基的形成。這種變化導(dǎo)致聚合反應(yīng)即化學(xué)過程，該過程產(chǎn)生可形成丙烯酸纖維的長鏈聚合物。

紡絲工藝   

PAN纖維是通過稱為濕法紡絲的方法形成的。將濃液浸入液體凝結(jié)浴中，并通過由貴金屬制成的噴絲頭中的孔擠出，噴絲孔與PAN纖維的所需長絲數(shù)相匹配（例如12K碳纖維為12,000個孔）。濕紡纖維通過水洗牽伸以除去過量的凝結(jié)劑，然后干燥并拉伸以繼續(xù)提高PAN聚合物的取向。

濕法紡絲的一種替代工藝是被稱為干噴/濕法紡絲的混合工藝，該工藝在纖維和凝固浴之間會存在空氣段，從而產(chǎn)生光滑的圓形PAN纖維。PAN前驅(qū)體纖維的最后一道工藝是上油，可防止絲束發(fā)生黏連，隨后卷繞成型。

預(yù)氧化處理是碳纖維制備流程中耗時最長的一道工序，氧化爐溫度范圍為392°F至572°F（200°C至300°C）。該過程將空氣中的氧氣分子與PAN纖維結(jié)合在一起，并使聚合物鏈開始交聯(lián)，這會使纖維密度從1.18 g/cc增加到高達(dá)1.38 g/cc。

氧化時間會根據(jù)前驅(qū)體纖維的化學(xué)反應(yīng)而變化，通常而言需要60到120分鐘的時間，每條生產(chǎn)線需要4到6個烘箱，烘箱堆疊起來可以提供兩個加熱區(qū)。氧化后的PAN纖維包含約50％至65％的碳分子，其余部分為氫、氮和氧的混合物。

碳化反應(yīng)在專門設(shè)計炭化爐內(nèi)進(jìn)行，并且需要惰性（無氧）氣氛保護(hù)。在沒有氧氣的情況下，只有非碳分子包括氰化氫和其他VOC（穩(wěn)定期間以40至80 ppm的濃度生成）和微粒被除去，并從高溫爐內(nèi)排出，隨后在環(huán)境控制的焚化爐中進(jìn)行后處理。

高模量和超高模量碳纖維成本相對較高的部分原因是停留時間的長短和高溫爐中必須達(dá)到的溫度。預(yù)氧化處理時間以小時為單位，但碳化時間要短一個數(shù)量級，以分鐘為單位。纖維經(jīng)過碳化后，重量會顯著下降，并使直徑縮小。

除前驅(qū)體纖維外，表面處理最能使一個供應(yīng)商的產(chǎn)品與競爭對手的產(chǎn)品區(qū)分開?；w樹脂和碳纖維之間的粘合性對于增強(qiáng)復(fù)合材料至關(guān)重要，而在制造碳纖維的過程中，表面處理目的是增強(qiáng)這種粘合性。生產(chǎn)商會采用不同的處理方法，處理后纖維表面活性增加，從而提高可用于界面纖維/基體粘結(jié)的表面積，并添加反應(yīng)性化學(xué)基團(tuán)如羧基等。

隨后的工序是上漿處理，一般上漿劑占碳纖維重量的0.5％至5％，可在處理和加工（例如編織）過程中保護(hù)碳纖維成為中間產(chǎn)品。上漿還可以將細(xì)絲束縛在各個絲束中，以減少起毛，提高可加工性并增加纖維與基體樹脂之間的界面剪切強(qiáng)度。上漿干燥結(jié)束后，漫長的碳纖維制備過程就完成了，單個的絲束分離出來然后纏繞到筒管上。

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