瀝青基碳纖維結構性能和生產流程

瀝青基碳纖維于1963年由日本大谷杉朗教授用PVC瀝青，熔融紡絲后在空氣中不熔化處理，再碳化而制得的纖維，他的發明建立了瀝青基碳纖維研制的基本原理。起初應用各向同性瀝青為原料制造碳纖維，得到通用型碳纖維的短纖維，后來用液晶瀝青為原料，制得高性能瀝青碳纖維，于1975年工業化，由于瀝青價格便宜，分子本身是芳香結構，所含氫、氮比較少，炭化時消耗能源就較少，制造碳纖維時產率為75%高于PAN的40%～45%。目前全世界的瀝青基碳纖維生產能力為1500t/a左右，估計3到5年內生產能力將增到到 2600t/a。

一、瀝青基碳纖維的結構和性能

對于各向異性瀝青原料紡成的碳纖維，在纖維軸方向苯基縮合環形成取向結構，其取向程度和結晶度大?。ㄖ饕獩Q定于熱處理溫度），將影響纖維的模量，與PAN基碳纖維相比，它的苯基縮合環結構取向比較容易，碳纖維的模量也就比較高。如日本三菱化學公司的瀝青基碳纖維（K13C2U），其模量達900 GPa，而 PAN基碳纖維的模量為 640 GPa。同樣道理，其纖維軸向的高度取向縮合環結構，使它的纖維軸向熱傳導率相當高，用K13C2U纖維增強的復合材料，熱傳導率可以和銅相似，這么高的熱傳導性，使材料直接與火焰接觸，也不會著火，成為不燃材料。

二、制造工藝流程

瀝青基碳纖維的制造工藝流程如下所示：

各向同性瀝青—→瀝青纖維—→不熔化—→碳化—→通用型碳纖維液晶瀝青—→瀝青纖維—→不熔化—→碳化、石墨化—→高性能碳纖維

瀝青是縮合的多環芳烴化合物為主要成分的低分子烴類混合物，含碳量大于70％，平均分子量200以上。瀝青資源豐富，多從石油或煤焦油的副產物中提取，也可由聚氯乙烯裂解而得。

1．瀝青的調制 作為碳纖維用的瀝青原料，首先要有適宜的紡絲流變性能，具有適當的化學反應活性，使剛紡出的纖維通過氧化反應轉變為不熔性纖維，具備一定分子量及分子量分布，以使初生纖維有一定的力學性能。瀝青的調制可通過加氫熱處理、蒸餾或溶劑萃取、通過添加樹脂或其它化合物等方法，達到調整瀝青的化學成分和結構的目的。

2．瀝青纖維的成型及不熔化處理 調制好的瀝青，經過熔融紡絲，剛紡出的纖維直徑最好在15µm，有足夠的纖維強度，然后在400℃左右進行氧化反應，瀝青分子間產生縮合或交聯，達到提高熔點的目的。

3．碳化工藝 不熔化纖維在隋性氣體保護下，在1000～1500℃加熱碳化，纖維中非碳原子發生各種化學反應生成的氣態化合物隨惰性氣體一起被排出，大分子轉變為亂層石墨結構的碳纖維，在張力下擇優取向，使纖維強度增加 40％，模量增加 25％。碳化后纖維也可進入更高溫度（2500～3000℃）熱處理，得到石墨纖維。