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我国碳纤维发展亟待攻克瓶颈
时间:2006年12月27日 来源:本站原创  作者:admin 浏览次数:
    高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有本征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代军民两用新材料,已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。
  美国联合碳化物公司(UCC)于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维,五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期,虽然目前已开始衰退,但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年,日本研究人员发明了用聚丙烯腈(PAN)原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上,英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维时技术流程,使其发展驶入了快车道,PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流。产量占世界总产量的90%左右。1974年,美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-P55的研制,并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品,这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。
  我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维,至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线,产品性能基本达到日本东丽公司的T200,国内也叫做高强Ⅰ型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强Ⅱ型碳纤维(相当于T300),但历经20年,产品性能指标仍未达到T300标准,至今仍处于中试放大阶段。专家认为,制约我国碳纤维发展的“瓶颈”是PAN原丝质量没有真正过关。
  提高PAN原丝质量
  PAN原丝不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量和生产成本。换言之,只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维,才能稳定生产,提高产量,降低成本。对于现代碳纤维生产线,要求喂入丝束数在100以上,且高速运行;如果原丝质量低劣、彼此性能差异较大,易在生产过程中产生毛丝缠结,甚至发生断丝,很难稳定生产,这样必然加大原丝的损耗。对于质量好的PAN原丝,用2.2kg左右的原丝可生产出1kg碳纤维;而质量差的原丝,则需2.5kg,甚至更高,这必然加大生产成本,而原丝成本占碳纤维生产成本的50~65%。所以,PAN原丝质量不仅可左右碳纤维的性能,而且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。
  扩大生产线规模
  除PAN原丝质量外,扩大生产规模也是降低成本的有效途径。国外一条碳纤维生产线的年生产能力在200吨以上,而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。这也是我国工程化开发的差距之一。为了降低生产成本,国外大丝束碳纤维(48K~480K)发展很快,形成了与小丝束(1K~24K)碳纤维竞争市场的格局。而国内目前还没有正式的大丝束PAN原丝生产厂家,也就没有大丝束碳纤维生产装置与技术。
  增强拉伸强度
  碳纤维是由有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的。碳纤维属于脆性材料,拉伸强度等性能受控于各类缺陷。因此,在一定意义上来讲,提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少缺陷数目、减小缺陷尺寸的过程。从碳纤维的缺陷产生可大致分为两类:一类是先天性缺陷,由PAN原丝“遗传”给碳纤维;第二类是后天性缺陷,在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。从缺陷在碳纤维中所处的位置又可分为表面缺陷和内部缺陷两大类,而表面缺陷占缺陷总数的90%左右,对拉伸强度的影响要比内部缺陷大得多。所以,在生产碳纤维全过程中(从聚合开始到碳纤维提高碳纤维拉伸强度的主要途径。碳纤维的理论强度为180GPa,目前世界上强度最高的碳纤维T1000(日本东丽公司)的拉伸强度也仅是理论值的3.9%,而国产碳纤维的拉伸强度则更低,所以提高碳纤维的拉伸强度有很大的潜力和空间。
  对碳纤维发展的建议
  碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程,质量的提升涉及到方方面面。可从以下几个方面优先考虑:
  研制高纯度原丝,把先天性缺陷降低到最小程度 经大量检测表明,国产原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁的含量比国外大得多。它们的存在不仅影响聚合和纺丝的稳定性,而且在高温碳化过程中逸走而残留下孔隙,所以,聚合所用原料要纯,纺丝空间应洁净化,所用设备应耐腐蚀。
  原丝高强化 经测试和有关资料表明,我国PAN原丝强度(力)比较低,国外在6.0g/d以上。在一定范围内,碳纤维的拉伸强度随着原丝强力的提高而提高,而提高原丝强力的技术措施之一是相应提高PAN树脂的分子量。
  细旦化 高强度碳纤推的发展趋势之一是单丝直径较细。直径越细,包含大缺陷的几率越少,尺寸效应十分显著。纳米碳纤维可望在性能上有大的突破。
  均质化 均质化主要是纤维横截面由表及里结构均匀,性能一致。这就要求PAN原丝。预氧化纤维和碳纤维无明显的皮芯结构。纤维的皮芯结构易在凝固成纤过程或预氧化热处理过程产生,最佳工艺条件的选择则十分重要。
  细晶化 对于脆性材料,缺陷大小与微晶尺寸视为同一数量级。细晶化有利于对缺陷的控制和碳纤维抗拉强度的提高,特别是压缩强度的提高。细晶化应从聚合开始,贯穿于生产碳纤维的全过程。
  随着我国经济的快速发展,国内碳纤维的需求与日俱增,而加强技术创新是我国碳纤维加快发展,实现产业化的关键。《中国化工报》2002.9.3 文/贺福
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