【正文】 2/2023 78 ? —— 黑化纖維的炭化階段 ? 氧化后纖維的處理過程叫做炭化 。 經(jīng)過氧化后的纖維 ， 隔絕空氣 ， 放在真空或氮氣 、 惰性氣體等保護氣體中繼續(xù)加熱 ， 使纖維中的氫 、 氮以及其它元素不斷逸出 ， 直到約 1000℃ 左右 ， 就剩下了主要是由碳元素組成的碳纖維 。 因原料和處理工藝的不同 ， 碳纖維的含碳量在 75— 95%之間 。 炭化階段主要是化學(xué)變化的階段 。 炭化時保護氣氛的純度 ， 及時排除裂變產(chǎn)物 ，掌握升溫速度的快慢等 ， 對制得碳纖維的強度有很大的影響 。 3/2/2023 79 ? —— 碳纖維的拉伸石墨化階段 ? 經(jīng)過炭化后得到的碳纖維 ， 在惰性氣體中再繼續(xù)加熱到2023℃ 以上 ， 于是 ， 就使其含碳量不斷增加 （ 雜質(zhì)不斷被排除 ） ；結(jié)構(gòu)內(nèi)六邊形環(huán)網(wǎng)層間距離不斷縮小；網(wǎng)層面積不斷擴大；彈性模量不斷增高；纖維的密度也不斷增加 。 最后 ， 就得到了具有金屬光澤的高彈性模量 、 高強度的碳纖維 —— 石墨纖維 。 這個處理過程叫做石墨化 。 石墨化也可以利用碳纖維的導(dǎo)電性能 ， 以其自身作發(fā)熱體通電加熱來達(dá)到 。 石墨化程度主要取決于所達(dá)到的溫度 。 溫度愈高 ， 石墨化程度愈完全 ， 經(jīng)過3000℃ 石墨化處理的石墨纖維 ， 含碳量幾乎達(dá)到 100℃ 。 用惰性氣體使用氬氣較合適 。 3/2/2023 80 B、 聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖 腈綸纖維 氧 化 處 理 空氣中 200— 300℃ 加張 炭 化 處 理 惰性氣體中 1000— 2023℃℃ 碳 纖 維 石 墨 化 處 理 惰性氣體中 2023℃ 以上 石墨纖維 應(yīng)用 應(yīng)用 3/2/2023 81 ? C、 腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明 ? 根據(jù)加張方法的不同 ， 碳纖維的生產(chǎn)方法可以分為兩種： ? 一是 框架法 。 把纖維繞在一個剛性框架上 ， 然后送到氧化爐中加熱 。 用這種方法只能得到定長的碳纖維和石墨纖維 ， 只可以用它來制造一些小型的部件 。 ? 二是 連續(xù)法 。 把氧化 、 炭化和石墨化幾個階段連接起來 。 原料纖維連續(xù)地在氧化爐內(nèi)經(jīng)過氧化階段 ， 然后繼續(xù)進入炭化爐中炭化 ， 再進入石墨爐中石墨化 ， 直到變成石墨纖維出爐 。 它可以使纖維在處理過程中伸長 、 收縮或保持原纖維的長度不變 ，從而使有不同拉伸性能的原料纖維 ， 在氧化時都能達(dá)到最大許可拉伸程度 。 用這種方法生產(chǎn)出來的碳纖維是連續(xù)的 。 3/2/2023 82 ? 三個階段反應(yīng)的時間很不相同 。 ? 氧化階段需要 4～ 20小時； ? 炭化階段需要 ～ 2小時； ? 而石墨化階段只需幾秒鐘至幾分鐘 。 ? 近年來提出的一些方法 ， 其區(qū)別主要在氧化階段工藝 。 ? 用聚丙烯腈纖維做原料來制造碳纖維 ， 其優(yōu)點是這種原料纖維的結(jié)構(gòu)易于石墨化 ， 并相對于其它原料來說 ， 生產(chǎn)工藝也較簡單 。 但這種原料纖維在預(yù)氧化和炭化過程中會發(fā)生大量有毒的氰化氫氣體 。 用鉑網(wǎng)作催化劑催化熱解氰化氫等來處理有毒氣體 ， 有良好的效果 。 3/2/2023 83 （ 4） 用瀝青制造碳纖維 —— 石油瀝青經(jīng)過處理后拉出的石油瀝青纖維 ， 是制造碳纖維的一種優(yōu)良原料 。 它的特點是價格便宜 、 原料來源豐富 ， 含碳量達(dá) 95%之多 ， 而氫 、 氧 、 氮 、 硫等其它元素只占 5%。 因此一百千克石油瀝青纖維 ， 炭化后能得到八十五千克以上的碳纖維 ， 比用腈綸纖維做原料制得的碳纖維要多將近一倍 ， 而且所得到的碳纖維性能也高 。 —— 在用石油瀝青纖維制造碳纖維的過程中 ， 對石油瀝青纖維要有一定的要求 。 其中要求 “ 烯烴 ” 類芳香族化合物的含量要高 。 然而 ， 大多數(shù)石油瀝青里含的卻是性質(zhì)不活潑的 “ 烷烴 ” 。 因此 ， 這樣的石油瀝青要經(jīng)過一系列的處理后才能用來紡成絲 ， 而這些處理是比較麻煩的 ， 這也是石油瀝青的一個缺點 。 3/2/2023 84 ? A、 石油瀝為原料制造碳纖維分下面幾個階段： ? —— 蒸餾處理 ? 石油瀝青原料在紡絲前都要先經(jīng)過蒸餾處理 （ 目的是提高它的熱穩(wěn)定性和軟化溫度 ） 。 ? —— 紡絲 ? 紡絲一般采用熔融紡絲法 。 這樣得到的石油瀝青纖維就可以用來制造碳纖維了 。 ? —— 氧化處理 ? 與用腈綸纖維的方法基本相同 ， 首先也是進行加張氧化處理 ， 并且石油瀝青纖維的氧化處理要求在氧化能力更強的臭氧氣體中進行 ， 才能進一步形成加熱穩(wěn)定的黑化纖維 。 ? —— 炭化處理 ? 把黑化纖維放在惰性氣體中加熱到 1000℃ 以上 ， 就得到了性能優(yōu)良的碳纖維 。 ? —— 石墨化處理 ? 把碳纖維加熱到 2023℃ 以上 ， 就得到了高彈性模量 、 高強度的石墨纖維 。 3/2/2023 85 ? B、 用石油瀝為原料制造碳纖維的說明 ? 作為一般的工程材料 ， 必須滿足三個條件： ? 1） 具有一些獨特的性能； ? 2） 在使用中的經(jīng)濟效果要好 ， 有一個合適的價格； ? 3） 可以工業(yè)化大量生產(chǎn) 。 ? 而用便宜的瀝青纖維作原料 ， 是解決今后碳纖維大量推廣應(yīng)用的重要途徑 。 目前的瀝青纖維成本最低 ， 僅為用聚丙烯腈作原料制碳纖維的 10%， 而其性能已可滿足一般工業(yè)材料的要求 。 用石油瀝為原料制造碳纖維 ， 這是個發(fā)展方向 。 3/2/2023 86 （ 5）活性炭纖維的制造 3/2/2023 87 ? 制造 ? —— 活性炭纖維是以碳纖維為原料的一種高技術(shù)新產(chǎn)品 。 活性炭纖維亦可理解為多孔質(zhì)的碳纖維 。 它在上世紀(jì) 70年代迅速發(fā)展 ， 現(xiàn)已進入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn) 。 ? —— 目前 ， 用于制造活性炭纖維的原料主要有粘膠絲 、聚丙烯睛纖維 、 酚醛纖維 、 瀝青纖維和聚乙烯醇纖維 。除聚乙烯醇基活性炭纖維尚處在研究開發(fā)階段外 ， 其余幾種均已實現(xiàn)了工業(yè)化 3/2/2023 88 ? 各種活性炭纖維的比較 ? 粘膠基 —— 原料價格低廉 ， 但收率低 、 溫度低 ， 面密度在1600 m2/g以下 ， 生產(chǎn)工藝較繁復(fù)； ? 聚丙烯腈基 —— 面密度在 1500 m2/g以下 ， 結(jié)構(gòu)中含有4%~8%的氮 ， 工藝較簡單 、 成熟； ? 酚醛基 —— 原料價格低廉 ， 收率高 ， 面密度在 3000 m2/g，工藝簡單； ? 瀝青基 —— 原料價格低廉 ， 收率高 ， 但強度低 ， 面密度在1800 m2/g左右 ， 雜質(zhì)多 ? 聚乙烯醇基 —— 原料價格低廉 ， 強度高 ， 面密度在 2500 m2/g 以下 ， 生產(chǎn)工藝較繁復(fù) 。 3/2/2023 89 活性炭纖維的制造采用氣體活化法 ，碳纖維在 600~1200 ℃ 的條件下 ， 用水蒸氣 、 CO 空氣 、 煙道氣等進行活化 。 最常用的是水蒸氣 ， 價格便宜 ，活化能力強 ， 容易控制 。 3/2/2023 90 碳纖維常規(guī)產(chǎn)品特性 （略） 3/2/2023 91 ? 碳纖維的應(yīng)用 ? （ 1） 碳絲 。 由于碳纖維的長絲和絲束的機械性能極其優(yōu)異 ， 因此其主要用于塑料 （ 環(huán)氧樹脂 、 聚脂 、 聚酰亞胺 、 酚醛樹脂 ） 和碳絲的增強；此外 ， 碳纖維增強輕金屬 （ 鋁 、 鎂 ） 作宇航應(yīng)用 。 其制品主要用在：飛機 、火箭等承受高負(fù)荷的部件；高壓容器；體育用品 （ 如網(wǎng)球 、 冰球 、 高爾夫球拍；滑雪板；賽車；賽船；帆船等 ） 。 ? （ 2） 碳纖維氈和碳素短纖維 。 主要用做絕熱材料 （ 如電阻爐和感應(yīng)電爐 ） 。 這種絕熱材料在 500℃ 以上可以隔絕空氣和其它氧化劑的干擾 。 碳纖維氈的密度為 ~ g/cm3， 在 20℃ 時的導(dǎo)熱率為 6 105~3 104W/mK。這種絕熱層的絕熱能力大 。 碳纖維氈和碳素短纖維的其它用途為：填充塔的填料；侵蝕性氣體和液體的過濾材料；催化劑的載體；燃料電池和蓄電池的電極 。 3/2/2023 92 ? （ 3） 碳纖維織物 。 用作輻射加熱的大體積真空爐中輕質(zhì) 、 高負(fù)荷的電導(dǎo)體 ， 其最高使用溫度可達(dá) 3000℃ 左右 。 此外 ， 可作超音速飛機制動盤的加強墊層 。 其生產(chǎn)方法是用合成樹脂浸漬碳纖維織物 ， 再壓成片狀 ， 然后加熱到 1000℃ 左右使浸漬劑碳化 。 這種制動盤具有在高溫和高摩擦速度下的摩擦性能 ， 有較高的導(dǎo)熱性和熱容量以及熱穩(wěn)定性 ， 可保證其在極大的負(fù)荷下也能具有良好的制動性能 。 ? （ 4） 活性炭纖維 。 主要用于：吸附廢氣 ， 凈化環(huán)境；回收溶劑及有機化合物；凈化水；化學(xué)防護；高效電容和各種電極材料 。 3/2/2023 93 1/3用于航空工業(yè)和航天工業(yè)；1/3用于體育用品； 1/3用于其它工業(yè) 。 3/2/2023 94 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH