PAN原丝性能对碳纤维强度的影响分析

康伟军+马光磊

摘 要：碳纤维在当今社会生产中的应用非常广泛，其中，加强对PAN原丝的研究有着重要意义。本文通过扫描电镜对PAN原丝，对碳纤维强度的影响进行了分析。结果表明，原丝弹性与原丝强度对碳纤维的强度影响非常大，但是PAN原丝纤度和伸度影响较小。

关键词：PAN原丝；碳纤维；强度；影响

碳纤维属于高技术产品，在当今我国航天、航空、导弹火箭等尖端技术中的应用非常广泛，同样也是民工工业更新换代重点应用的新型材料。因此，针对碳纤维的强度来说，从1970年至今，其抗拉强度已经从3.0GPa提高到了当今7.0GPa以上。但是碳纤维属于一种脆性材料，其抗拉强度受到各种因素影响，如表面空洞、内部空洞、裂纹、污染物等。因此，通过应用PAN原丝就是减少影响碳纤维抗拉强度的因素和缺陷。PAN原丝性能直接会影响到碳纤维轻度，因此，加强PAN原丝性能对碳纤维强度的影响有着重要作用。

一、PAN原丝共聚组分

如果PAN原丝性能较好，会大大提高碳纤维的耐热性、结构紧密度、抗拉性能，同时也能够降低表面缺陷、孔隙构造。为了能够保障PAN原丝质量，可以选择共聚合单体将类型的结构模式，国际中的碳纤维制造公司多是采用二元共聚形式。如三菱人造丝单位通过甲基丙烯基丙酮与丙烯腈共聚，所制作出PAN原丝的抗拉强度能够高达8GPa以上；而应用二丙酮丙烯酰胺与丙烯腈共聚原丝聚合的PAN原丝抗拉强度能够达到8.5GPa以上；采用乙烯基吡咯烷酮与丙烯，腈共聚原丝的抗拉强度能够达到9GPa以上。由此可见，通过PAN原丝共聚组分，能够极大提高碳纤维的抗拉强度。

二、高纯化PAN原丝

由于含碱性金属能够促进碳纤维的氧化作用，特别是在高温条件下，能够加快碳的氧化速度。在高温条件下，能够让金属中的杂质逐渐流出，从而流线孔隙，从而导致碳纤维强度逐渐降低。碳纤维当中的金属杂质主要来自于原丝当中，在后续处理当中也会出现一定的金属离子，这就需要避免这种问题出现。因此，可以提高PAN原丝纯度是提高碳纤维强度的重要因素之一。

三、提高PAN原丝的致密化

通过对PAN原丝的致密性进行研究表明，原丝的致密程度越高，所炼制成碳纤维力学性能就越高。首先要保障PAN原丝的致密性，包括自然与聚合物的相对分子质量、成纤方法、聚合物溶液浓度等因素。通常情况下，聚合物相对分析质量越高、分子量分布越密集，所制成的PAN原丝的致密性越好，碳纤维性能也就越高。

四、PAN原丝的防尘化

想要提高PAN原丝的性能，需要在聚合物体系高密闭的前提下，提高纺丝的防尘性，这就需要纺丝在清洁室内进行制作，避免出现空气污染物影响原丝防尘性能。其中，精密过滤技术和无尘纺丝技术是保障PAN原丝质量的主要措施之一。

五、PAN原丝的细纤度化

据有关研究调查表明，制作高强高模、高强中模等优质PAN原丝都是应用直径小的原丝，这样能够加强原丝的细度。很多公司在制作碳纤维过程中，其直径在不断降低，这也是碳纤维发展的一大趋势。由于细纤度的PAN原丝直径小，单位总量面积大，能够加强纺丝凝固过程中和双扩散过程，这样的PAN原丝结构中的预氧丝皮芯结构较少。并且细纤度PAN原丝更容易被碳化，挥发物也更容易流出，从而获得结构更加均衡的碳纤维，提高碳纤维机构的稳定性。

六、PAN原丝的细晶化

经有关部门研究表明，碳纤维的抗拉强度与微晶呈现反比例关系，也就是微晶增大会降低碳纤维抗拉强度。通过相关数据分析，如果高强型碳纤维T800中的LC为28.7时，其抗拉强度通常在6GPa左右，而M40中LC为58.7时，其抗拉强度会直接降低到3GPa以下。可见，原丝细晶化能够有效提高碳纤维的强度。

七、PAN原丝高取向以及高强化

从本质上分析，碳纤维高强和高模是微观结构决定的结果，而碳纤维的微观结构又取决于碳纤维原丝微观结构。因此，需要制造高强度的PAN原丝必须要注重高强度和高取向。PAN原丝取向度越高，碳纤维的力学性能就越高，但并不是两相指标越高越好，需要以无毛丝为基准。原丝抗拉强度越高，其弹性膜量就越高，对应的碳纤维抗拉性能就越高。

八、應用先进的油剂

在PAN原丝生产当中，油是保障纺丝质量、性能的重要一环。国际中生产PAN原丝的油通常为含硅油，包括环氧改性硅油、氨改性硅油等。合理选择油剂能够极大的改善PAN原丝集束性、亲水性、分纤性等性能。要求PAN原丝在碳化之前必须能够阻燃、不粘结、不融化、不断丝。如果油剂的耐热性不高，会造成PAN原丝发粘问题，造成质量下降；如果油剂抗电性不好，会造成PAN原丝加工中出现断裂、缠绕、起毛，严重影响碳纤维的强度。

综上所述，本文重点探究了PAN原丝性能对碳纤维强度的影响，从上文可知，影响PAN原丝性能的因素有很多，这就需要相关人员能够针对具体情况来改善PAN原丝性能，从而提高碳纤维的强度。

参考文献：

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