《聚丙烯腈基碳纤维》新旧标准比较解析

1 引言

聚丙烯腈碳纤维具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、导电和热膨胀系数小等一系列优异性能[1]，以聚丙烯腈碳纤维为增强体的先进复合材料是引领结构材料革命的典型代表，是关系国家战略安全的军民两用材料，已成为高新武器装备的主要物质基础，也是支撑中国制造2025的关键基础材料，还具有带动相关战略性新兴产业快速发展的作用；高性能碳纤维的发展长期受到党和国家领导人的高度重视[2]。

本世纪以来，我国碳纤维产业实现了从无到有、从小到大的突破，2005年，得益于国防需求的强劲应用牵引，国产碳纤维工程化、产业化技术发展迅速，各种规格型号的碳纤维产品不断研制成功[3]。为规范国产碳纤维产品生产与应用设计，2011年我国制定发布了首个碳纤维产品标准GB/T 26752—2011《聚丙烯腈基碳纤维》（以下简称“旧标准”）。该标准的实施对国产碳纤维的技术发展、生产及应用发挥了重要作用。随着技术进步和产业发展，到2016年底，我国不仅形成了2万吨左右的碳纤维生产能力，碳纤维产品系列也不断完善，高强、高强中模、高模、高模高强四大系列产品日渐丰富，在传统的小丝束（1K～12K）碳纤维产品发展的同时，24K及以上大丝束碳纤维制备也形成了一定的产业化能力。随着碳纤维产业化发展提速，碳纤维应用推广与材料设计对国产碳纤维的产品标准化提出了越来越高的要求，与之相比，现行的标准内容存在比较大的缺失，如产品的品种规格、性能指标、命名规则等已不能满足国产碳纤维生产与应用现状急需修订[4]。GB/T 26752—2020《聚丙烯腈基碳纤维》（以下简称“新标准”）于2020年3月6日发布，实施时间为2021年2月1日。新标准由中国建筑材料工业联合会提出，全国纤维增强塑料标准化技术委员会（SAC/TC 39）归口，规定了范围、规范性引用文件、术语和定义、分类和标记、要求、试验方法、检验规则、包装、标志、运输、贮存。

本文通过将新旧标准对比解析，明确标准修订的主要内容，指导用户全面而科学理解新标准，准确并积极使用新标准，引导碳纤维生产企业产品标准化和规范化，引领中国碳纤维行业向更高水平发展，参与国际碳纤维竞争；同时指导上下游产业用户或配套企业科学使用新标准，做大做好碳纤维上下游关键配套材料如上浆剂等的国产化突破与质量稳定，促进碳纤维及其复合材料制品等全产业链的健康发展。

2 主要变化

2.1 增加了规范性引用文件

新标准增加两份规范性引用文件，均为试验方法文件，分别为GB/T 29761 《碳纤维 浸润剂含量的测定》和GB/T 30019《碳纤维 密度的测定》。试验方法直接采用国家标准，补充完善了检测方法，并进一步规范了试验标准化，同时促进了现有标准的使用。

2.2 增加了术语和定义

新标准增加了“有捻纤维”“无捻纤维”“解捻纤维”的定义，弥补了旧标准中无相关术语的不足，解决了技术人员在使用碳纤维时找不到定义的困扰。

2.3 修订了分类和标记

新标准标记中增加了溶剂分类和工艺分类，即标记由力学性能分类、溶剂分类、工艺分类、丝束规格、加捻情况、上浆剂分类、上浆剂含量和标准编号等8部分内容组成。其中溶剂分类分为4种，工艺分类2种。

溶剂分类和纺丝工艺分类的增加，是新标准的一个重要变化，使得标记表达更直观，同时与国内整体格局紧密结合，充分体现了中国碳纤维技术水平的进步。对于聚丙烯腈基碳纤维的生产，不同溶剂类型，碳纤维的性能会有明显不同，其后期应用也有所不同[5]。截至2018年，碳纤维生产厂家已经装备运行的企业有26家，其中16家生产原丝的企业中，13家采用二甲基亚砜技术，2家采用硫氰酸钠技术，1家采用二甲基乙酰胺技术。现在国内的主流技术是二甲基亚砜，代表企业如威海拓展、江苏恒神、中复神鹰等。为给将来新技术留有空间，新标准增加了其他溶剂分类。对于工艺分类，国际碳纤维巨头日本、美国等碳纤维原丝纺丝工艺基本以湿法和干湿法为主，我国国内聚丙烯腈基碳纤维生产企业的主流生产工艺，对于高强型碳纤维，也是以湿法工艺为基础，对于高强中模型碳纤维，国内具备产业化能力的碳纤维生产企业为数不多，典型代表如威海拓展、中复神鹰、江苏恒神，均可采用湿法及干湿法等两种工艺；对于高模型碳纤维以及高强高模型碳纤维，理论上也是湿法和干湿法工艺均可采用。近几年，随着碳纤维生产技术的快速发展，相继有中复神鹰、威海拓展、江苏恒神、山西煤炭化学研究所等4家企业通过技术攻关与研发，实现了高强中模型碳纤维千吨级干喷湿纺技术，并通过技术验收。新标准将工艺分为湿法和干湿法两种，与我国现有碳纤维发展水平紧密结合。

近年随着碳纤维应用拓宽，热塑性复合材料以其易成型、可循环利用及生产周期短、可设计性自由度大等优点，成为研究热点[6]。结合国内碳纤维上浆剂的研究与发展趋势，新标准上浆剂分类增加适用于热固性和热塑性的聚酰亚胺树脂类型，为给其他类型上浆剂留出发展空间，增加“其他”分类。上浆剂含量分类一是新增上浆剂含量为0，为部分科研领域用户无浆碳纤维提供标准，二是新增上浆剂含量≥2.5%，为24K、48K等大丝束碳纤维的工业应用提供分类依据。

2.4 增加了力学性能分类

新标准的核心变化内容是增加了碳纤维的力学性能分类及其规格，以及其所对应的性能指标范围。力学性能分类的增加，尤其是高强型碳纤维以及高强高模型碳纤维的增加，既包含了我国已有的新型号高性能碳纤维，体现了我国碳纤维产业发展的最新成果，同时又包含了在未来一段时间内会相继问世的新型号高性能碳纤维，表明该标准具有一定的先进性、前瞻性和引领性。新标准中力学性能分类等级可与世界标杆日本东丽的产品等级相对应，充分体现了标准的国际高度与国际先进性。力学性能分类中拉伸强度方向和拉伸弹性模量方向均有分类增加，具体如表1，且部分力学性能分类中增加了丝束规格，具体如表2。丝束规格有所增加，增加的主要依据是国内主要碳纤维生产企业的现有产品丝束规格的种类，以及未来碳纤维产业的发展趋势，尤其是24K、48K等大丝束在工业中的应用占比呈现逐年增加的趋势。

2.5 修订了性能指标

新标准长度偏差为正偏差，确保用户的使用长度。

在表2性能指标中，力学性能类型根据表1力学性能类型分类的规定对拉伸强度和拉伸弹性模量进行13种组合，并明确各力学性能类型包含的各种丝束规格所对应的物理性能指标范围和力学性能指标范围。由于高强中模型碳纤维QZ6535和QZ7035，以及高强高模型碳纤维QM3570等3种分类，国内尚无批量生产，没有足够的数据支撑，故表2没有列出。对于具体性能指标，新标准拉伸强度以500MPa划为一档，拉伸弹性模量以50GPa划为一档，断裂伸长率和含碳量取消上限值。线密度主要覆盖了国内主要碳纤维生产企业的产品数据，包含湿法和干湿法两种生产工艺，其中位值与国际惯例东丽等标杆企业的线密度标准值一致，公差带结合了旧标准制定。按照GB/T 3362—2017《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》中8.3断裂伸长率的规定，断裂伸长率由拉伸强度和拉伸弹性模量计算得到，表2中断裂伸长率为计算值。因为拉伸强度和拉伸弹性模量都已经规定上限值和下限值，断裂伸长率自然也等于有了数据范围的上限值和下限值，但为了用户使用，新标准断裂伸长率规定了下限值。密度指标采取中位值，公差带统一为±0.02。含碳量的数据范围在原有基础上取消上限值。

表1 力学性能分类新旧标准比较

表2 性能指标丝束规格新旧标准比较

2.6 修订了试验方法

新标准增加长度偏差，长度用计米器测量。密度试验方法旧标准中引用GB/T 3362中附录C，GB/T 3362于2017年换版后取消了原附录中密度的测定方法，因此新标准直接采标GB/T 30019《碳纤维密度的测定》，其中规定了3种方法：A液体置换法、B浮沉法、C密度梯度柱法。上浆剂含量旧标准按附录B，新标准直接采标GB/T 29761《碳纤维 浸润剂含量的测定》，其中包括3种方法：方法A索式萃取法，方法B 硫酸和双氧水混合溶液消解法，方法C高温分解法。直接采用现有国家标准，试验方法更加完善与规范，用户选择更多。力学性能试验旧标准引用GB/T 3362，GB/T 3362—2005范围中规定“本标准适用于1K至12K碳纤维，12K以上的碳纤维复丝可参照使用”，因此该标准范围等于覆盖了全部丝束规格的碳纤维。但GB/T 3362于2017年换版后，范围定义为“本标准适用于1K～24K碳纤维”，对于丝束规格为24K以上碳纤维，GB/T 3362—2017未规定，因此新标准1K至12K拉伸强度和拉伸弹性模量及断裂伸长率按GB/T 3362的规定进行，其他丝束规格参照GB/T 3362进行。

2.7 包装、标志、运输和贮存

新标准将碳纤维纸筒的要求在正文中予以规定，取消原附录D。

2.8 保质期

新标准对保质期取消了最多不超过5年的要求，延长了碳纤维的使用寿命。

3 结语

对新旧标准比较解析，新标准首先在分类和标记中增加了溶剂分类和工艺分类，该内容的修订与现行我国碳纤维行业发展情况紧密相连，更加精细的划分有利于用户更直观、更专业、更准确地使用不同型号的碳纤维；其次，新标准中增加了部分力学性能分类及其性能指标，新型号的增加，补充了旧标准的缺失，同时对我国碳纤维的高速发展起到了及时的引领和规范作用，既体现了标准的前瞻性和先进性，也展示了我国碳纤维发展的最新水平；最后，碳纤维的测试方法直接引用现有标准，进一步规范了碳纤维的测试评价体系。新标准的实施将对健康发展我国高性能碳纤维技术与产业、更好服务国防建设、支撑中国制造2025等国民经济建设具有重要意义。