碳纤维中PAN基碳纤维制备工艺流程及技术手法

 导读：碳纤维中PAN基碳纤维制备工艺流程及技术手法。碳纤维属于技术密集型行业，研发周期长，技术壁垒高，需要集成高分子化学、纺丝工艺、高温冶金、精细化工、复合材料等各个领域的理论技术和工艺装备，产业链非常长，关键控制点很多，相互之间需要精密配合才能生产出长期稳定的高性能碳纤维。 

参考《2016-2022年中国碳纤维复合材料产业竞争现状调研及十三五投资策略研究报告》 

        碳纤维属于技术密集型行业，研发周期长，技术壁垒高，需要集成高分子化学、纺丝工艺、高温冶金、精细化工、复合材料等各个领域的理论技术和工艺装备，产业链非常长，关键控制点很多，相互之间需要精密配合才能生产出长期稳定的高性能碳纤维。目前 PAN 基碳纤维是全球碳纤维领域的主流产品，市场占有率很高，以 PAN 基碳纤维为例介绍碳纤维的制备工艺流程和制备技术。 

        PAN 基碳纤维的工艺流程一般包括丙烯晴单体聚合、PAN 原丝制备、预氧化、低温碳化、高温碳化和表面处理形成碳纤维产品。 

        图 1：PAN 基碳纤维的制备工艺流程 

        PAN 碳纤维的核心技术之一在于其专有原丝的开发，PAN 原丝的质量不仅制约着碳纤维的性能，还影响其成本控制，一般认为碳纤维 90%的性能和 50%的成本皆取决于 PAN 原丝，优质的 PAN 原丝是制备高性能碳纤维的前提和基础。 

        PAN 原丝的制备过程主要包括聚合和纺丝两大工艺，而按照聚合和纺丝工艺的连续性可以将 PAN 原丝的制备方法分为一步法和二步法。 

        一步法：采用均相溶液聚合工艺，流程较短，工序较少，操作性强，可控性好，有利于获得高质量的 PAN 原丝，主要用来制备高性能的 PAN 基碳纤维。PAN 均相溶液聚合一般以二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMAc）、硫氰酸钠（NaSCN）水溶液、氯化锌（ZnCl2）水溶液等 PAN 聚合物良好溶剂作为反应介质，采用偶氮类引发剂反应后制得均匀粘稠的 PAN 聚合物溶液，再经脱单和脱泡处理直接用于纺丝，所选溶剂既能溶解单体又能溶解聚合体，聚合和纺丝是一条完整的生产线。 

        二步法：工艺相对复杂，要先通过水相沉淀聚合得到 PAN 固体粉末，经过粉碎、烘干等工序之后再利用有机溶剂如二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMAc）等溶解 PAN 粉末来生产纺丝原液，最后再经脱单和脱泡处理用于纺丝，聚合和纺丝分开进行。采用水相聚合能获得溶液聚合所不能得到的高分子量 PAN，且用于纺丝的原液是通过溶解工艺进行制备的，所以用于纺丝的 PAN 原液范围广，提高了纺丝原液聚合物分子量和浓度上限。 

        图 2：一步法和二步法工艺流程 

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