PAN原絲性能對碳纖維強度的影響分析

康偉軍+馬光磊

摘 要：碳纖維在當今社會生產中的應用非常廣泛，其中，加強對PAN原絲的研究有著重要意義。本文通過掃描電鏡對PAN原絲，對碳纖維強度的影響進行了分析。結果表明，原絲彈性與原絲強度對碳纖維的強度影響非常大，但是PAN原絲纖度和伸度影響較小。

關鍵詞：PAN原絲；碳纖維；強度；影響

碳纖維屬于高技術產品，在當今我國航天、航空、導彈火箭等尖端技術中的應用非常廣泛，同樣也是民工工業更新換代重點應用的新型材料。因此，針對碳纖維的強度來說，從1970年至今，其抗拉強度已經從3.0GPa提高到了當今7.0GPa以上。但是碳纖維屬于一種脆性材料，其抗拉強度受到各種因素影響，如表面空洞、內部空洞、裂紋、污染物等。因此，通過應用PAN原絲就是減少影響碳纖維抗拉強度的因素和缺陷。PAN原絲性能直接會影響到碳纖維輕度，因此，加強PAN原絲性能對碳纖維強度的影響有著重要作用。

一、PAN原絲共聚組分

如果PAN原絲性能較好，會大大提高碳纖維的耐熱性、結構緊密度、抗拉性能，同時也能夠降低表面缺陷、孔隙構造。為了能夠保障PAN原絲質量，可以選擇共聚合單體將類型的結構模式，國際中的碳纖維制造公司多是采用二元共聚形式。如三菱人造絲單位通過甲基丙烯基丙酮與丙烯腈共聚，所制作出PAN原絲的抗拉強度能夠高達8GPa以上；而應用二丙酮丙烯酰胺與丙烯腈共聚原絲聚合的PAN原絲抗拉強度能夠達到8.5GPa以上；采用乙烯基吡咯烷酮與丙烯，腈共聚原絲的抗拉強度能夠達到9GPa以上。由此可見，通過PAN原絲共聚組分，能夠極大提高碳纖維的抗拉強度。

二、高純化PAN原絲

由于含堿性金屬能夠促進碳纖維的氧化作用，特別是在高溫條件下，能夠加快碳的氧化速度。在高溫條件下，能夠讓金屬中的雜質逐漸流出，從而流線孔隙，從而導致碳纖維強度逐漸降低。碳纖維當中的金屬雜質主要來自于原絲當中，在后續處理當中也會出現一定的金屬離子，這就需要避免這種問題出現。因此，可以提高PAN原絲純度是提高碳纖維強度的重要因素之一。

三、提高PAN原絲的致密化

通過對PAN原絲的致密性進行研究表明，原絲的致密程度越高，所煉制成碳纖維力學性能就越高。首先要保障PAN原絲的致密性，包括自然與聚合物的相對分子質量、成纖方法、聚合物溶液濃度等因素。通常情況下，聚合物相對分析質量越高、分子量分布越密集，所制成的PAN原絲的致密性越好，碳纖維性能也就越高。

四、PAN原絲的防塵化

想要提高PAN原絲的性能，需要在聚合物體系高密閉的前提下，提高紡絲的防塵性，這就需要紡絲在清潔室內進行制作，避免出現空氣污染物影響原絲防塵性能。其中，精密過濾技術和無塵紡絲技術是保障PAN原絲質量的主要措施之一。

五、PAN原絲的細纖度化

據有關研究調查表明，制作高強高模、高強中模等優質PAN原絲都是應用直徑小的原絲，這樣能夠加強原絲的細度。很多公司在制作碳纖維過程中，其直徑在不斷降低，這也是碳纖維發展的一大趨勢。由于細纖度的PAN原絲直徑小，單位總量面積大，能夠加強紡絲凝固過程中和雙擴散過程，這樣的PAN原絲結構中的預氧絲皮芯結構較少。并且細纖度PAN原絲更容易被碳化，揮發物也更容易流出，從而獲得結構更加均衡的碳纖維，提高碳纖維機構的穩定性。

六、PAN原絲的細晶化

經有關部門研究表明，碳纖維的抗拉強度與微晶呈現反比例關系，也就是微晶增大會降低碳纖維抗拉強度。通過相關數據分析，如果高強型碳纖維T800中的LC為28.7時，其抗拉強度通常在6GPa左右，而M40中LC為58.7時，其抗拉強度會直接降低到3GPa以下。可見，原絲細晶化能夠有效提高碳纖維的強度。

七、PAN原絲高取向以及高強化

從本質上分析，碳纖維高強和高模是微觀結構決定的結果，而碳纖維的微觀結構又取決于碳纖維原絲微觀結構。因此，需要制造高強度的PAN原絲必須要注重高強度和高取向。PAN原絲取向度越高，碳纖維的力學性能就越高，但并不是兩相指標越高越好，需要以無毛絲為基準。原絲抗拉強度越高，其彈性膜量就越高，對應的碳纖維抗拉性能就越高。

八、應用先進的油劑

在PAN原絲生產當中，油是保障紡絲質量、性能的重要一環。國際中生產PAN原絲的油通常為含硅油，包括環氧改性硅油、氨改性硅油等。合理選擇油劑能夠極大的改善PAN原絲集束性、親水性、分纖性等性能。要求PAN原絲在碳化之前必須能夠阻燃、不粘結、不融化、不斷絲。如果油劑的耐熱性不高，會造成PAN原絲發粘問題，造成質量下降；如果油劑抗電性不好，會造成PAN原絲加工中出現斷裂、纏繞、起毛，嚴重影響碳纖維的強度。

綜上所述，本文重點探究了PAN原絲性能對碳纖維強度的影響，從上文可知，影響PAN原絲性能的因素有很多，這就需要相關人員能夠針對具體情況來改善PAN原絲性能，從而提高碳纖維的強度。

參考文獻：

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