ITCF Denkendorf:獨特的碳纖維定制工藝

ITCF Denkendorf:獨特的碳纖維定制工藝

通過替換前驅體材料以提高碳纖維的性能，是德國鄧肯道夫紡織化學與纖維化學研究所(ITCF)高性能纖維中心(HPFC)的研究課題之一。該研究聚焦于工業化生產，是目前全球獨一無二的。其通過一種特殊的加工工藝改變碳纖維分子結構，可生產性能更優的碳纖維，并且，其工藝操作具有可控性及可重復性。

碳纖維的制備需通過多步驟的機械化生產，原料通常采用聚丙烯腈。然而，在鄧肯道夫ITCF，除采用丙烯腈外，木質素、纖維素及聚乙烯等經濟性原料也被視作制備碳纖維的可選材料。

需要通過熔融紡絲將原料紡制成前驅體纖維，再經過兩道工序，才能加工得到碳纖維。

在高溫爐中進行碳化前，前驅體纖維需要進行穩定化或化合。這樣做的目的是改變纖維的分子結構，從而使纖維在碳化過程中能承受熱應力而不會被分解成粉末。化合的方式很多，在試驗線上，化合通常為有氧條件下的穩定化反應，這也是鄧肯道夫工業化生產線上最常用且最可行的方式。在帶有4個獨立加熱區的轉換爐中，前驅體纖維與氧氣發生反應，反應過程中會生成副產物，需對其進行分離。然而，這種采用氧氣參與的穩定化工藝只適用于聚丙烯腈基前驅體及其他幾類備選的前驅體。對于其他材料和用途而言，宜采用下述的另一種方法。

采用兩個電子束系統同樣可以實現通過氧化穩定前驅體纖維的目的，這也是鄧肯道夫ITCF的一種特殊方法。然而，通過電子沖擊穩定前驅體纖維雖與前述方法的目標相同，但兩者的工藝則不同。在電子沖擊這種方法中，纖維原料的雙鍵被打開，與此同時，在其他位置生成新的化學鍵。纖維中的分子一個接一個地結合，從而使纖維在隨后的高溫碳化中能夠保持穩定。

其中一個電子束系統裝在噴絲頭后方，可迅速對紡制的纖維進行固化處理。這對后道加工也有很大幫助：纖維脆性降低，對操作應力的影響減小。

到目前為止，尚未成功用該方法實現對聚乙烯纖維的穩定化處理。鄧肯道夫ITCF對以聚乙烯為前驅體材料制備碳纖維保留了一個獨立的系統，將聚乙烯的化學預處理設置在一個專門制造的且獨一無二的反應室中，以提高碳纖維的性能。在這個過程中，通過對聚乙烯進行改性，使它的結構性能最適于后道的碳化加工。該反應室也被列為EU“NEWSPEC”FP7 項目的一部分。

第二套電子束系統可以實現各種聚合物的化合，從而達到穩定化的目的。

纖維的碳化是在一條獨立的生產線上進行的，其包括用于碳化的高溫爐生產線和進行表面后處理的單元。在無氧的1 300 ℃裂解爐中，化學鍵發生斷裂，分離出副產物。之后，纖維被喂入溫度高達2 000 ℃的高溫爐中，碳纖維的最終結構在此形成。這一過程決定了纖維中石墨層的取向和構造。

特殊的導絲器可以在不同的高溫爐之間對纖維施加特定的張力，這也是獨一無二的。最佳的纖維張力使得纖維內部的分子鏈高度取向。對于后道的高溫處理而言，這意味著對纖維結構的優化，從而提高了碳纖維的力學性能。

碳化后的碳纖維還將進行一道電化學處理。通過電鍍，可在纖維表面形成官能團，有利于其用作復合材料的增強纖維。電鍍提升了纖維與基體的黏合性，進而提高了復合材料的穩定性。

各生產裝置部件組合的可能性也因此變得很獨特，而正是由于這種模塊化的加工結構，各加工組件可以根據需要組合在一起，或剔除不需要的單元。這種通過替換前驅體材料制備得的新型碳纖維，也在某種程度上達到了前所未有的高度。

黃鑠涵 譯王依民 校