粘膠基碳纖維的結構性能和生產流程

粘膠基碳纖維早在1950年美國開始研制，粘膠纖維的主要化學成分是纖維素，而纖維素是自然界最大的一類有機化合物。纖維素基本單元中有三個羥基，一個伯羥基和二個仲羥基，可吸附10％～14％的水分，結構單元中氧的含量高達49．39％，如果氧都以水的形式脫除，理想的碳化收率是44．4％，實際碳化收率僅10％～30％。由于粘膠碳纖維工藝條件苛刻，碳化收率比較低。相對成本大，粘膠碳纖維的綜合性能指標比PAN基碳纖維的要差，因此粘膠碳纖維的發展就受到制約，目前隨著PAN基碳纖維的飛速發展，粘膠基碳纖維逐步萎縮。但是粘膠基碳纖維在結構和性能如隔熱、耐燒蝕等方面有不可取代的用途，因此還保留近百噸的年生產量。

一、粘膠碳纖維的結構和性能

在脫水、熱裂解、縮聚和芳構化過程中，纖維素的化學組分發生了很大的變化。碳的含量隨著熱處理溫度的增高而迅速增加，氧和氫的含量逐步下降，在400℃左右變化最大，說明這個溫度區域相當重要。

粘膠基碳纖維的性能特征：

（1）密度在1.52～1.53g/cm³，比 PAN基或瀝青基碳纖維的小。

（2）石墨層間距大，取向低，耐燒蝕。

（3）堿和堿土金屬離子含量低，熱穩定性好。

（4）石墨化程度低，熱傳導率低，是隔熱及防熱的好材料。

（5）粘膠基碳纖維由天然纖維素轉化，因此材料的生物相容性好。

由于粘膠基碳纖維有上述的特性，除了軍工上應用外，在民品上也有一定用途，主要應用在各種規格的碳纖維紡織品，如布、紗線等，再加工成柔性電熱制品、高溫的保溫和絕熱材料，活性碳纖維材料和醫療衛生材料方面也有廣泛應用。

二、粘膠基碳纖維的制造工藝流程

粘膠基碳纖維的制造工藝流程如下所示：

粘膠原絲—→加捻—→穩定化浸漬—→干燥、預氧化—→低溫碳化—→卷繞—→高溫碳化—→表面處理—→絡筒—→碳纖維成品

和PAN基碳纖維相比增加了加捻、穩定化處理工序，因為粘膠纖維中含水量多，在穩定化工序中加入適當的無機或有機系催化劑，降低熱裂解熱和活化能，緩和熱裂解和脫水反應，便于生產工藝參數的控制，有利碳纖維強度的提高。

在催化劑作用下，白色粘膠纖維經過脫水、熱裂解和結構的轉化，變為黑色預氧化纖維，提高了耐熱性。高溫碳化在一個襯石墨的碳化爐中進行，溫度1400～2400℃，可獲得含碳量為90％～99％的碳纖維，為了保持碳纖維良好的力學性能，在預氧化、碳化過程中，對纖維施加張力，控制纖維反應中的熱收縮，使產生的亂層石墨結構擇優取向，有時還要高溫石墨化處理，可得到超高模量的碳纖維。

三、粘膠基碳纖維的成型機理

粘膠纖維的脫水、熱裂解和碳化過程非常復雜，物理化學反應主要發生在700℃之前，可大致上歸納為四個重要階段：

（1）開始階段，是粘膠纖維中物理吸附水的解脫，大約在90～150℃低溫除水。

（2）第二階段，溫度接近240℃，纖維素葡萄糖殘基發生分子內脫水化學反應，羥基消除，碳雙鍵生成。

（3）第三階段，殘基的糖甙環發生熱裂解，在高溫240～400℃下，纖維素環基深層次裂解成含有雙鍵的碳四殘鏈。

（4）第四階段，在400～700℃高溫下發生芳構化反應，使碳四殘鏈橫向聚合、縱向交聯縮聚為六碳原子的石墨層結構，如果在張力下進行石墨化處理，可提高層面間的取向，轉化為亂層石墨結構，從而提高碳纖維的強度和模量。