粘胶基碳纤维的结构性能和生产流程

粘胶基碳纤维早在1950年美国开始研制，粘胶纤维的主要化学成分是纤维素，而纤维素是自然界最大的一类有机化合物。纤维素基本单元中有三个羟基，一个伯羟基和二个仲羟基，可吸附10％～14％的水分，结构单元中氧的含量高达49．39％，如果氧都以水的形式脱除，理想的碳化收率是44．4％，实际碳化收率仅10％～30％。由于粘胶碳纤维工艺条件苛刻，碳化收率比较低。相对成本大，粘胶碳纤维的综合性能指标比PAN基碳纤维的要差，因此粘胶碳纤维的发展就受到制约，目前随着PAN基碳纤维的飞速发展，粘胶基碳纤维逐步萎缩。但是粘胶基碳纤维在结构和性能如隔热、耐烧蚀等方面有不可取代的用途，因此还保留近百吨的年生产量。

一、粘胶碳纤维的结构和性能

在脱水、热裂解、缩聚和芳构化过程中，纤维素的化学组分发生了很大的变化。碳的含量随着热处理温度的增高而迅速增加，氧和氢的含量逐步下降，在400℃左右变化最大，说明这个温度区域相当重要。

粘胶基碳纤维的性能特征：

（1）密度在1.52～1.53g/cm³，比 PAN基或沥青基碳纤维的小。

（2）石墨层间距大，取向低，耐烧蚀。

（3）碱和碱土金属离子含量低，热稳定性好。

（4）石墨化程度低，热传导率低，是隔热及防热的好材料。

（5）粘胶基碳纤维由天然纤维素转化，因此材料的生物相容性好。

由于粘胶基碳纤维有上述的特性，除了军工上应用外，在民品上也有一定用途，主要应用在各种规格的碳纤维纺织品，如布、纱线等，再加工成柔性电热制品、高温的保温和绝热材料，活性碳纤维材料和医疗卫生材料方面也有广泛应用。

二、粘胶基碳纤维的制造工艺流程

粘胶基碳纤维的制造工艺流程如下所示：

粘胶原丝—→加捻—→稳定化浸渍—→干燥、预氧化—→低温碳化—→卷绕—→高温碳化—→表面处理—→络筒—→碳纤维成品

和PAN基碳纤维相比增加了加捻、稳定化处理工序，因为粘胶纤维中含水量多，在稳定化工序中加入适当的无机或有机系催化剂，降低热裂解热和活化能，缓和热裂解和脱水反应，便于生产工艺参数的控制，有利碳纤维强度的提高。

在催化剂作用下，白色粘胶纤维经过脱水、热裂解和结构的转化，变为黑色预氧化纤维，提高了耐热性。高温碳化在一个衬石墨的碳化炉中进行，温度1400～2400℃，可获得含碳量为90％～99％的碳纤维，为了保持碳纤维良好的力学性能，在预氧化、碳化过程中，对纤维施加张力，控制纤维反应中的热收缩，使产生的乱层石墨结构择优取向，有时还要高温石墨化处理，可得到超高模量的碳纤维。

三、粘胶基碳纤维的成型机理

粘胶纤维的脱水、热裂解和碳化过程非常复杂，物理化学反应主要发生在700℃之前，可大致上归纳为四个重要阶段：

（1）开始阶段，是粘胶纤维中物理吸附水的解脱，大约在90～150℃低温除水。

（2）第二阶段，温度接近240℃，纤维素葡萄糖残基发生分子内脱水化学反应，羟基消除，碳双键生成。

（3）第三阶段，残基的糖甙环发生热裂解，在高温240～400℃下，纤维素环基深层次裂解成含有双键的碳四残链。

（4）第四阶段，在400～700℃高温下发生芳构化反应，使碳四残链横向聚合、纵向交联缩聚为六碳原子的石墨层结构，如果在张力下进行石墨化处理，可提高层面间的取向，转化为乱层石墨结构，从而提高碳纤维的强度和模量。