沥青基碳纤维结构性能和生产流程

沥青基碳纤维于1963年由日本大谷杉朗教授用PVC沥青，熔融纺丝后在空气中不熔化处理，再碳化而制得的纤维，他的发明建立了沥青基碳纤维研制的基本原理。起初应用各向同性沥青为原料制造碳纤维，得到通用型碳纤维的短纤维，后来用液晶沥青为原料，制得高性能沥青碳纤维，于1975年工业化，由于沥青价格便宜，分子本身是芳香结构，所含氢、氮比较少，炭化时消耗能源就较少，制造碳纤维时产率为75%高于PAN的40%～45%。目前全世界的沥青基碳纤维生产能力为1500t/a左右，估计3到5年内生产能力将增到到 2600t/a。

一、沥青基碳纤维的结构和性能

对于各向异性沥青原料纺成的碳纤维，在纤维轴方向苯基缩合环形成取向结构，其取向程度和结晶度大小（主要决定于热处理温度），将影响纤维的模量，与PAN基碳纤维相比，它的苯基缩合环结构取向比较容易，碳纤维的模量也就比较高。如日本三菱化学公司的沥青基碳纤维（K13C2U），其模量达900 GPa，而 PAN基碳纤维的模量为 640 GPa。同样道理，其纤维轴向的高度取向缩合环结构，使它的纤维轴向热传导率相当高，用K13C2U纤维增强的复合材料，热传导率可以和铜相似，这么高的热传导性，使材料直接与火焰接触，也不会着火，成为不燃材料。

二、制造工艺流程

沥青基碳纤维的制造工艺流程如下所示：

各向同性沥青—→沥青纤维—→不熔化—→碳化—→通用型碳纤维液晶沥青—→沥青纤维—→不熔化—→碳化、石墨化—→高性能碳纤维

沥青是缩合的多环芳烃化合物为主要成分的低分子烃类混合物，含碳量大于70％，平均分子量200以上。沥青资源丰富，多从石油或煤焦油的副产物中提取，也可由聚氯乙烯裂解而得。

1．沥青的调制 作为碳纤维用的沥青原料，首先要有适宜的纺丝流变性能，具有适当的化学反应活性，使刚纺出的纤维通过氧化反应转变为不熔性纤维，具备一定分子量及分子量分布，以使初生纤维有一定的力学性能。沥青的调制可通过加氢热处理、蒸馏或溶剂萃取、通过添加树脂或其它化合物等方法，达到调整沥青的化学成分和结构的目的。

2．沥青纤维的成型及不熔化处理 调制好的沥青，经过熔融纺丝，刚纺出的纤维直径最好在15µm，有足够的纤维强度，然后在400℃左右进行氧化反应，沥青分子间产生缩合或交联，达到提高熔点的目的。

3．碳化工艺 不熔化纤维在隋性气体保护下，在1000～1500℃加热碳化，纤维中非碳原子发生各种化学反应生成的气态化合物随惰性气体一起被排出，大分子转变为乱层石墨结构的碳纤维，在张力下择优取向，使纤维强度增加 40％，模量增加 25％。碳化后纤维也可进入更高温度（2500～3000℃）热处理，得到石墨纤维。