技术·利用纺织品级PAN纤维制备碳纤维
纺织品级PAN纤维商品名为腈纶，它是由85%以上的丙烯腈（AN）与其他第二、第三单体共聚的高分子聚合物经过纺丝制备得到合成纤维。腈纶具有许多优异的性能，如手感柔和、弹性好、耐日光和耐气候性好、染色性能优异，由于与天然羊毛特性相近，因此又被称为“合成羊毛”。纺织品级PAN纤维与碳纤维用PAN原丝纺织品级PAN纤维与目前市场上常用的碳纤维前驱体——PAN原丝主要区别在于其共聚物的组成。纺织品级PAN纤维大多是由三元共聚物经纺丝工艺制备得到，在制备纺织品级PAN纤维的高分子聚合物中，第二单体、第三单体含量高，往往可以达到10-15%。由于聚丙烯腈一元聚合物能够形成很好的结晶结构，分子侧向强作用的腈基（-CN）可形成稳定的相互作用和排列，导致纤维变脆。因此，加入第二单体通过嵌入到分子主链，可以使得纤维得以柔软化，分子轴向的有序性和分子间的侧向有序性减弱，从而达到改善手感目的。由于纺织纤维是以服装用为最终目的，而为了进一步提升纺织品级PAN纤维的染色性，因此在共聚物中往往需要加入第三单体。对于目前高性能碳纤维常用前驱体PAN原丝，大多是由二元共聚物经纺丝制备得到，部分碳纤维企业也有采用三元共聚；在二元共聚物中AN比例最高可达99%，其他共聚单体的含量较低。在碳纤维前驱体PAN原丝的二元共聚物中，较为常用的共聚单体包括衣康酸（IA）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）等等，共聚单体的主要作用在于可以引发分子内环化作用，使环化反应由自由基型转化为离子型，此外部分单体是氧元素渗透促进剂，且添加后可以有效改善可纺性。碳纤维用纺织品级PAN纤维 or PAN原丝？目前纺织品级PAN纤维成本仅为2-3美元/kg，而碳纤维前驱体PAN原丝价格大概为7-8美元/kg，既然纺织品级PAN纤维价格具有明显优势，为何不以其为原料来生产碳纤维？虽然纺织品级PAN纤维也是有多元共聚物纺丝而成，但是共聚单体作用在于改善纤维链柔性和染色性，而且共聚单体含量很高；而对于碳纤维前驱体PAN原丝，共聚单体主要作用可以促进分子链结构环化，在后续预氧化阶段可以形成耐高温的交联结构，这也是制备高性能碳纤维关键，结构转变过程如下图1所示。图1 预氧化阶段PAN原丝结构转变由于共聚单体结构与性能差异，如果直接以纺织品级PAN纤维为原料制备碳纤维，因此在传统预氧化过程中很容易造成纤维熔融，不易产生梯形结构，这也是难以用于生产碳纤维的主要原因。纺织品级PAN纤维制备碳纤维新途径近期韩国全北国立大学科研学者以市售的纺织品级PAN纤维为原料，通过工艺优化改进制备了性能优异的碳纤维。其采用的纺织品级PAN纤维是由丙烯腈（AN）和乙酸乙烯酯（VAc）按照85:15比例共聚的二元共聚物纺丝制备。在进行热处理之前，首先在170℃温度下对市售纺织品级PAN纤维进行了热牵伸处理，经过处理后PAN纤维的直径由15 μm下降到11.46 μm，而且处理后PAN纤维的拉伸强度、拉伸模量分别达到820MPa、17.0GPa。由于采用传统预氧化装置对纺织品级PAN纤维进行热处理容易导致纤维熔融，因此在进入预氧化装置前，先用紫外灯（UV）进行热处理，然后进入230℃、255℃氧化装置中分别处理5min，制备得到含交联结构的前驱体纤维，流程示意图如图2所示。图2 纺织品级PAN纤维的热氧化处理通过利用UV对纺织品级碳纤维进行热处理，可以在PAN分子链上形成反应位点，而且在该热处理过程中也伴随纤维颜色变化，如图3所示图3 纺织品级PAN纤维的UV热处理温度75℃，处理时间分别为（a）0（b）20min（c）40min（d）60min在UV处理形成化学活性位点基础上，经过进一步快速预氧化处理，实现了纤维内部结构交联。上述经过热氧化处理制备得到的纤维，在25-1200℃氮气气氛保护的碳化装置中进行碳化处理，升温速率5℃/min，制备得到拉伸强度2.43GPa、拉伸模量195GPa的碳纤维。在UV处理过程中通过提高UV功率和温度对处理时间进行了优化，加上后续在预氧化装置内处理工艺，预氧化阶段总耗时仅仅为30min，相比较于目前常用PAN原丝预氧化时间大幅缩短。来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展，本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术
