一文(wén)简要了解碳纤维的制造工艺​

尽管许多(duō)复合材料用(yòng)户会使用(yòng)碳纤维，但不少人却不了解碳纤维的制造方法，因為(wèi)碳纤维生产商(shāng)会对自己产品的生产方式保守秘密。每个生产商(shāng)的碳纤维都与其竞争对手的产品不同，而赋予每个品牌标志(zhì)性特征的加工细节则被认為(wèi)是知识产权。

众所周知，碳纤维的制造过程既困难又(yòu)昂贵。建设一条世界一流的生产線(xiàn)以及设备组装需要大量资本，仅设备一项就至少需要2500万美元，并且最多(duō)可(kě)能(néng)需要两年的时间才能(néng)投入运行。因此，实际的成本可(kě)能(néng)更高。

例如总部位于东京的三菱人造丝有(yǒu)限公司（MRC）计划对大竹生产设施计划投资1亿美元，建筑总面积為(wèi)87.4万平方米，為(wèi)期三年，通过扩建以后，该生产線(xiàn)每年可(kě)生产多(duō)达9,072吨碳纤维。截止目前，全球PAN基碳纤维领先的生产商(shāng)仅仅為(wèi)十几家。

金属材料具有(yǒu)均质特性，并且具有(yǒu)符合既定标准的特性，也就是说每个生产商(shāng)生产的P20钢性能(néng)接近，并可(kě)以与其他(tā)生产商(shāng)互换。但是，碳纤维生产商(shāng)生产的产品相似但不相同，如碳纤维的拉伸模量、拉伸强度、压缩强度和疲劳强度等各不相同。

PAN基碳纤维现可(kě)提供低模量（<32 Msi）、标准模量（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）等规格。碳纤维作為(wèi)束丝，按照丝束规格，其产品范围从1K到350K（1K等于1,000根细丝，直径范围从5到10微米），此外产品的碳含量和表面处理(lǐ)/上浆类型也不同。

就制造工艺而言，用(yòng)最简单的话说，碳纤维是通过惰性气體(tǐ)中在高于982°C / 1800°F的温度下热解有(yǒu)机前體(tǐ)纤维而制成的。然而，碳纤维制造是一项复杂的工作，需要经历聚合和纺丝、氧化（也称為(wèi)稳定化）、碳化（制备高模量碳纤维时需要增加石墨化工艺）、表面处理(lǐ)和上浆。

该过程始于称為(wèi)前驱體(tǐ)的聚合物(wù)原料，如今，约有(yǒu)10％的碳纤维是由人造丝或沥青前驱體(tǐ)制成的，而绝大部分(fēn)由聚丙烯腈（PAN）衍生而来，后者是由丙烯腈制成的，而丙烯腈则是由商(shāng)品化學(xué)品丙烯和氨气衍生而来的。本文(wén)主要介绍了PAN基碳纤维制造流程。

長(cháng)期以来，通过将PAN转换為(wèi)碳纤维一直对生产商(shāng)构成挑战，因為(wèi)碳纤维生产商(shāng)的大部分(fēn)投资都花(huā)在了前驱體(tǐ)上，而成品碳纤维的质量也直接取决于前驱體(tǐ)的质量。通常，前驱體(tǐ)配制以丙烯腈单體(tǐ)开始，其在反应器中与增塑的丙烯酸共聚单體(tǐ)和催化剂，如衣康酸、二氧化硫酸、硫酸或甲基丙烯酸结合，连续搅拌会混合成分(fēn)，确保黏度和纯度，并引发丙烯腈分(fēn)子结构内自由基的形成。这种变化导致聚合反应即化學(xué)过程，该过程产生可(kě)形成丙烯酸纤维的長(cháng)链聚合物(wù)。

纺丝工艺   

PAN纤维是通过称為(wèi)湿法纺丝的方法形成的。将浓液浸入液體(tǐ)凝结浴中，并通过由贵金属制成的喷丝头中的孔挤出，喷丝孔与PAN纤维的所需長(cháng)丝数相匹配（例如12K碳纤维為(wèi)12,000个孔）。湿纺纤维通过水洗牵伸以除去过量的凝结剂，然后干燥并拉伸以继续提高PAN聚合物(wù)的取向。

湿法纺丝的一种替代工艺是被称為(wèi)干喷/湿法纺丝的混合工艺，该工艺在纤维和凝固浴之间会存在空气段，从而产生光滑的圆形PAN纤维。PAN前驱體(tǐ)纤维的最后一道工艺是上油，可(kě)防止丝束发生黏连，随后卷绕成型。

预氧化处理(lǐ)是碳纤维制备流程中耗时最長(cháng)的一道工序，氧化炉温度范围為(wèi)392°F至572°F（200°C至300°C）。该过程将空气中的氧气分(fēn)子与PAN纤维结合在一起，并使聚合物(wù)链开始交联，这会使纤维密度从1.18 g/cc增加到高达1.38 g/cc。

氧化时间会根据前驱體(tǐ)纤维的化學(xué)反应而变化，通常而言需要60到120分(fēn)钟的时间，每条生产線(xiàn)需要4到6个烘箱，烘箱堆叠起来可(kě)以提供两个加热區(qū)。氧化后的PAN纤维包含约50％至65％的碳分(fēn)子，其余部分(fēn)為(wèi)氢、氮和氧的混合物(wù)。

碳化反应在专门设计炭化炉内进行，并且需要惰性（无氧）气氛保护。在没有(yǒu)氧气的情况下，只有(yǒu)非碳分(fēn)子包括氰化氢和其他(tā)VOC（稳定期间以40至80 ppm的浓度生成）和微粒被除去，并从高温炉内排出，随后在环境控制的焚化炉中进行后处理(lǐ)。

高模量和超高模量碳纤维成本相对较高的部分(fēn)原因是停留时间的長(cháng)短和高温炉中必须达到的温度。预氧化处理(lǐ)时间以小(xiǎo)时為(wèi)单位，但碳化时间要短一个数量级，以分(fēn)钟為(wèi)单位。纤维经过碳化后，重量会显著下降，并使直径缩小(xiǎo)。

除前驱體(tǐ)纤维外，表面处理(lǐ)最能(néng)使一个供应商(shāng)的产品与竞争对手的产品區(qū)分(fēn)开。基體(tǐ)树脂和碳纤维之间的粘合性对于增强复合材料至关重要，而在制造碳纤维的过程中，表面处理(lǐ)目的是增强这种粘合性。生产商(shāng)会采用(yòng)不同的处理(lǐ)方法，处理(lǐ)后纤维表面活性增加，从而提高可(kě)用(yòng)于界面纤维/基體(tǐ)粘结的表面积，并添加反应性化學(xué)基团如羧基等。

随后的工序是上浆处理(lǐ)，一般上浆剂占碳纤维重量的0.5％至5％，可(kě)在处理(lǐ)和加工（例如编织）过程中保护碳纤维成為(wèi)中间产品。上浆还可(kě)以将细丝束缚在各个丝束中，以减少起毛，提高可(kě)加工性并增加纤维与基體(tǐ)树脂之间的界面剪切强度。上浆干燥结束后，漫長(cháng)的碳纤维制备过程就完成了，单个的丝束分(fēn)离出来然后缠绕到筒管上。

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