《聚丙烯腈基碳纖維》新舊標(biāo)準(zhǔn)比較解析

1 引言

聚丙烯腈碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)電和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能[1]，以聚丙烯腈碳纖維為增強(qiáng)體的先進(jìn)復(fù)合材料是引領(lǐng)結(jié)構(gòu)材料革命的典型代表，是關(guān)系國(guó)家戰(zhàn)略安全的軍民兩用材料，已成為高新武器裝備的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是支撐中國(guó)制造2025的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，還具有帶動(dòng)相關(guān)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的作用；高性能碳纖維的發(fā)展長(zhǎng)期受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視[2]。

本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從小到大的突破，2005年，得益于國(guó)防需求的強(qiáng)勁應(yīng)用牽引，國(guó)產(chǎn)碳纖維工程化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展迅速，各種規(guī)格型號(hào)的碳纖維產(chǎn)品不斷研制成功[3]。為規(guī)范國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用設(shè)計(jì)，2011年我國(guó)制定發(fā)布了首個(gè)碳纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26752—2011《聚丙烯腈基碳纖維》（以下簡(jiǎn)稱“舊標(biāo)準(zhǔn)”）。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的技術(shù)發(fā)展、生產(chǎn)及應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，到2016年底，我國(guó)不僅形成了2萬(wàn)噸左右的碳纖維生產(chǎn)能力，碳纖維產(chǎn)品系列也不斷完善，高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高模高強(qiáng)四大系列產(chǎn)品日漸豐富，在傳統(tǒng)的小絲束（1K～12K）碳纖維產(chǎn)品發(fā)展的同時(shí)，24K及以上大絲束碳纖維制備也形成了一定的產(chǎn)業(yè)化能力。隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提速，碳纖維應(yīng)用推廣與材料設(shè)計(jì)對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化提出了越來(lái)越高的要求，與之相比，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容存在比較大的缺失，如產(chǎn)品的品種規(guī)格、性能指標(biāo)、命名規(guī)則等已不能滿足國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀急需修訂[4]。GB/T 26752—2020《聚丙烯腈基碳纖維》（以下簡(jiǎn)稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）于2020年3月6日發(fā)布，實(shí)施時(shí)間為2021年2月1日。新標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)建筑材料工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出，全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 39）歸口，規(guī)定了范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、分類(lèi)和標(biāo)記、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸、貯存。

本文通過(guò)將新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比解析，明確標(biāo)準(zhǔn)修訂的主要內(nèi)容，指導(dǎo)用戶全面而科學(xué)理解新標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確并積極使用新標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，引領(lǐng)中國(guó)碳纖維行業(yè)向更高水平發(fā)展，參與國(guó)際碳纖維競(jìng)爭(zhēng)；同時(shí)指導(dǎo)上下游產(chǎn)業(yè)用戶或配套企業(yè)科學(xué)使用新標(biāo)準(zhǔn)，做大做好碳纖維上下游關(guān)鍵配套材料如上漿劑等的國(guó)產(chǎn)化突破與質(zhì)量穩(wěn)定，促進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料制品等全產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

2 主要變化

2.1 增加了規(guī)范性引用文件

新標(biāo)準(zhǔn)增加兩份規(guī)范性引用文件，均為試驗(yàn)方法文件，分別為GB/T 29761 《碳纖維 浸潤(rùn)劑含量的測(cè)定》和GB/T 30019《碳纖維 密度的測(cè)定》。試驗(yàn)方法直接采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充完善了檢測(cè)方法，并進(jìn)一步規(guī)范了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)促進(jìn)了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的使用。

2.2 增加了術(shù)語(yǔ)和定義

新標(biāo)準(zhǔn)增加了“有捻纖維”“無(wú)捻纖維”“解捻纖維”的定義，彌補(bǔ)了舊標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)相關(guān)術(shù)語(yǔ)的不足，解決了技術(shù)人員在使用碳纖維時(shí)找不到定義的困擾。

2.3 修訂了分類(lèi)和標(biāo)記

新標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記中增加了溶劑分類(lèi)和工藝分類(lèi)，即標(biāo)記由力學(xué)性能分類(lèi)、溶劑分類(lèi)、工藝分類(lèi)、絲束規(guī)格、加捻情況、上漿劑分類(lèi)、上漿劑含量和標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)等8部分內(nèi)容組成。其中溶劑分類(lèi)分為4種，工藝分類(lèi)2種。

溶劑分類(lèi)和紡絲工藝分類(lèi)的增加，是新標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要變化，使得標(biāo)記表達(dá)更直觀，同時(shí)與國(guó)內(nèi)整體格局緊密結(jié)合，充分體現(xiàn)了中國(guó)碳纖維技術(shù)水平的進(jìn)步。對(duì)于聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)，不同溶劑類(lèi)型，碳纖維的性能會(huì)有明顯不同，其后期應(yīng)用也有所不同[5]。截至2018年，碳纖維生產(chǎn)廠家已經(jīng)裝備運(yùn)行的企業(yè)有26家，其中16家生產(chǎn)原絲的企業(yè)中，13家采用二甲基亞砜技術(shù)，2家采用硫氰酸鈉技術(shù)，1家采用二甲基乙酰胺技術(shù)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的主流技術(shù)是二甲基亞砜，代表企業(yè)如威海拓展、江蘇恒神、中復(fù)神鷹等。為給將來(lái)新技術(shù)留有空間，新標(biāo)準(zhǔn)增加了其他溶劑分類(lèi)。對(duì)于工藝分類(lèi)，國(guó)際碳纖維巨頭日本、美國(guó)等碳纖維原絲紡絲工藝基本以濕法和干濕法為主，我國(guó)國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的主流生產(chǎn)工藝，對(duì)于高強(qiáng)型碳纖維，也是以濕法工藝為基礎(chǔ)，對(duì)于高強(qiáng)中模型碳纖維，國(guó)內(nèi)具備產(chǎn)業(yè)化能力的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)為數(shù)不多，典型代表如威海拓展、中復(fù)神鷹、江蘇恒神，均可采用濕法及干濕法等兩種工藝；對(duì)于高模型碳纖維以及高強(qiáng)高模型碳纖維，理論上也是濕法和干濕法工藝均可采用。近幾年，隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，相繼有中復(fù)神鷹、威海拓展、江蘇恒神、山西煤炭化學(xué)研究所等4家企業(yè)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)與研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)中模型碳纖維千噸級(jí)干噴濕紡技術(shù)，并通過(guò)技術(shù)驗(yàn)收。新標(biāo)準(zhǔn)將工藝分為濕法和干濕法兩種，與我國(guó)現(xiàn)有碳纖維發(fā)展水平緊密結(jié)合。

近年隨著碳纖維應(yīng)用拓寬，熱塑性復(fù)合材料以其易成型、可循環(huán)利用及生產(chǎn)周期短、可設(shè)計(jì)性自由度大等優(yōu)點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)[6]。結(jié)合國(guó)內(nèi)碳纖維上漿劑的研究與發(fā)展趨勢(shì)，新標(biāo)準(zhǔn)上漿劑分類(lèi)增加適用于熱固性和熱塑性的聚酰亞胺樹(shù)脂類(lèi)型，為給其他類(lèi)型上漿劑留出發(fā)展空間，增加“其他”分類(lèi)。上漿劑含量分類(lèi)一是新增上漿劑含量為0，為部分科研領(lǐng)域用戶無(wú)漿碳纖維提供標(biāo)準(zhǔn)，二是新增上漿劑含量≥2.5%，為24K、48K等大絲束碳纖維的工業(yè)應(yīng)用提供分類(lèi)依據(jù)。

2.4 增加了力學(xué)性能分類(lèi)

新標(biāo)準(zhǔn)的核心變化內(nèi)容是增加了碳纖維的力學(xué)性能分類(lèi)及其規(guī)格，以及其所對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)范圍。力學(xué)性能分類(lèi)的增加，尤其是高強(qiáng)型碳纖維以及高強(qiáng)高模型碳纖維的增加，既包含了我國(guó)已有的新型號(hào)高性能碳纖維，體現(xiàn)了我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果，同時(shí)又包含了在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)相繼問(wèn)世的新型號(hào)高性能碳纖維，表明該標(biāo)準(zhǔn)具有一定的先進(jìn)性、前瞻性和引領(lǐng)性。新標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能分類(lèi)等級(jí)可與世界標(biāo)桿日本東麗的產(chǎn)品等級(jí)相對(duì)應(yīng)，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際高度與國(guó)際先進(jìn)性。力學(xué)性能分類(lèi)中拉伸強(qiáng)度方向和拉伸彈性模量方向均有分類(lèi)增加，具體如表1，且部分力學(xué)性能分類(lèi)中增加了絲束規(guī)格，具體如表2。絲束規(guī)格有所增加，增加的主要依據(jù)是國(guó)內(nèi)主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)有產(chǎn)品絲束規(guī)格的種類(lèi)，以及未來(lái)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是24K、48K等大絲束在工業(yè)中的應(yīng)用占比呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。

2.5 修訂了性能指標(biāo)

新標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度偏差為正偏差，確保用戶的使用長(zhǎng)度。

在表2性能指標(biāo)中，力學(xué)性能類(lèi)型根據(jù)表1力學(xué)性能類(lèi)型分類(lèi)的規(guī)定對(duì)拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量進(jìn)行13種組合，并明確各力學(xué)性能類(lèi)型包含的各種絲束規(guī)格所對(duì)應(yīng)的物理性能指標(biāo)范圍和力學(xué)性能指標(biāo)范圍。由于高強(qiáng)中模型碳纖維QZ6535和QZ7035，以及高強(qiáng)高模型碳纖維QM3570等3種分類(lèi)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)批量生產(chǎn)，沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)支撐，故表2沒(méi)有列出。對(duì)于具體性能指標(biāo)，新標(biāo)準(zhǔn)拉伸強(qiáng)度以500MPa劃為一檔，拉伸彈性模量以50GPa劃為一檔，斷裂伸長(zhǎng)率和含碳量取消上限值。線密度主要覆蓋了國(guó)內(nèi)主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包含濕法和干濕法兩種生產(chǎn)工藝，其中位值與國(guó)際慣例東麗等標(biāo)桿企業(yè)的線密度標(biāo)準(zhǔn)值一致，公差帶結(jié)合了舊標(biāo)準(zhǔn)制定。按照GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》中8.3斷裂伸長(zhǎng)率的規(guī)定，斷裂伸長(zhǎng)率由拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量計(jì)算得到，表2中斷裂伸長(zhǎng)率為計(jì)算值。因?yàn)槔鞆?qiáng)度和拉伸彈性模量都已經(jīng)規(guī)定上限值和下限值，斷裂伸長(zhǎng)率自然也等于有了數(shù)據(jù)范圍的上限值和下限值，但為了用戶使用，新標(biāo)準(zhǔn)斷裂伸長(zhǎng)率規(guī)定了下限值。密度指標(biāo)采取中位值，公差帶統(tǒng)一為±0.02。含碳量的數(shù)據(jù)范圍在原有基礎(chǔ)上取消上限值。

表1 力學(xué)性能分類(lèi)新舊標(biāo)準(zhǔn)比較

表2 性能指標(biāo)絲束規(guī)格新舊標(biāo)準(zhǔn)比較

2.6 修訂了試驗(yàn)方法

新標(biāo)準(zhǔn)增加長(zhǎng)度偏差，長(zhǎng)度用計(jì)米器測(cè)量。密度試驗(yàn)方法舊標(biāo)準(zhǔn)中引用GB/T 3362中附錄C，GB/T 3362于2017年換版后取消了原附錄中密度的測(cè)定方法，因此新標(biāo)準(zhǔn)直接采標(biāo)GB/T 30019《碳纖維密度的測(cè)定》，其中規(guī)定了3種方法：A液體置換法、B浮沉法、C密度梯度柱法。上漿劑含量舊標(biāo)準(zhǔn)按附錄B，新標(biāo)準(zhǔn)直接采標(biāo)GB/T 29761《碳纖維 浸潤(rùn)劑含量的測(cè)定》，其中包括3種方法：方法A索式萃取法，方法B 硫酸和雙氧水混合溶液消解法，方法C高溫分解法。直接采用現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)方法更加完善與規(guī)范，用戶選擇更多。力學(xué)性能試驗(yàn)舊標(biāo)準(zhǔn)引用GB/T 3362，GB/T 3362—2005范圍中規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)適用于1K至12K碳纖維，12K以上的碳纖維復(fù)絲可參照使用”，因此該標(biāo)準(zhǔn)范圍等于覆蓋了全部絲束規(guī)格的碳纖維。但GB/T 3362于2017年換版后，范圍定義為“本標(biāo)準(zhǔn)適用于1K～24K碳纖維”，對(duì)于絲束規(guī)格為24K以上碳纖維，GB/T 3362—2017未規(guī)定，因此新標(biāo)準(zhǔn)1K至12K拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量及斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 3362的規(guī)定進(jìn)行，其他絲束規(guī)格參照GB/T 3362進(jìn)行。

2.7 包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸和貯存

新標(biāo)準(zhǔn)將碳纖維紙筒的要求在正文中予以規(guī)定，取消原附錄D。

2.8 保質(zhì)期

新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)保質(zhì)期取消了最多不超過(guò)5年的要求，延長(zhǎng)了碳纖維的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)比較解析，新標(biāo)準(zhǔn)首先在分類(lèi)和標(biāo)記中增加了溶劑分類(lèi)和工藝分類(lèi)，該內(nèi)容的修訂與現(xiàn)行我國(guó)碳纖維行業(yè)發(fā)展情況緊密相連，更加精細(xì)的劃分有利于用戶更直觀、更專(zhuān)業(yè)、更準(zhǔn)確地使用不同型號(hào)的碳纖維；其次，新標(biāo)準(zhǔn)中增加了部分力學(xué)性能分類(lèi)及其性能指標(biāo)，新型號(hào)的增加，補(bǔ)充了舊標(biāo)準(zhǔn)的缺失，同時(shí)對(duì)我國(guó)碳纖維的高速發(fā)展起到了及時(shí)的引領(lǐng)和規(guī)范作用，既體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的前瞻性和先進(jìn)性，也展示了我國(guó)碳纖維發(fā)展的最新水平；最后，碳纖維的測(cè)試方法直接引用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步規(guī)范了碳纖維的測(cè)試評(píng)價(jià)體系。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將對(duì)健康發(fā)展我國(guó)高性能碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)、更好服務(wù)國(guó)防建設(shè)、支撐中國(guó)制造2025等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。