碳纖維低成本制備技術(shù)

1、碳纖維低成本制備技術(shù)第 36 卷第 3 期 2011年 6 月 高洋斗技鮮雛與應(yīng)用Hi TechFiber&Application ,01.36No.3Jun.2011 碳纖維低成本制備技術(shù) 梁燕',金亮',潘鼎,張國(guó)良'(1.中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司 ,江蘇連云港 222069;2.東華大學(xué)材料科學(xué)與工程 學(xué)院 "纖維材料改性 "國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與 "高性能纖維及制品 " 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (B 類(lèi)),上海 201620) 摘要:闡述了碳纖維的低成本制備技術(shù)及其研究進(jìn)展,涉及采用新原材料 ,新工藝 ,新技術(shù)和生產(chǎn)

2、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等諸多方面表明低成本碳纖維關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，將使碳纖維生產(chǎn)的制造成本降低20%以上,并將犬幅度節(jié)約碳纖維復(fù)合材料的制造 成本,促使擴(kuò)大碳纖維在更多領(lǐng)域的應(yīng)用 .關(guān)鍵詞:碳纖維;低成本;制備技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：TQ323.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1007 9815(2011)02-0039-06Lowcostmanufacturingtechnologyforlocalizationofcarbonfibers LIANGYan,JINLiang,PANDing,ZHANGGuo liang (1.ZhongFuShenYingCarbonFiberCo.Ltd.,Lianyungang,

3、Jiangsu222069China;2.State KeyLaboratory forModificationofChemicalFibersandPolymerMaterials,CollegeofMaterialScienceand Engineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620China)Abstract：Inthispaperthestatusoflowcostmanufacturingtechnologyforcarbonfiberswerei ntroduced,includ ingnewmaterials,newtechnologyan

4、dlocalizationofproductionequipment.Indicatingthat withtheapplication ofthelowcostmanufacturingtechnologyforcarbonfibers.morethan20%ofthemanufacturi ngcostofcarbon fiberswillbereduced.themanufacturingcostofCFRPwillbesavedgreatlyandtheusesofcar bonfibersinmanyfiledwillalsobepromoted. Keywords:carbonfi

5、bers;lOWcost;manufacturingtechnology 近年來(lái) ,我國(guó)碳纖維的國(guó)產(chǎn)化取得了前所未 有的進(jìn)展 ,T300 級(jí)碳纖維已形成小試 ,中試和產(chǎn) 業(yè)化完整的產(chǎn) ,學(xué),研鏈條 ,國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品陸 續(xù)進(jìn)入市場(chǎng) ,基于國(guó)產(chǎn)碳纖維的應(yīng)用研究也積極 跟進(jìn),成果顯著 .初步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)碳纖維從無(wú)到 有的突變.高性能碳纖維作為國(guó)家的新型戰(zhàn)略材料 ,在 性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與其他常用材料相比有著無(wú) 可比擬的優(yōu)勢(shì) ,不僅在國(guó)防科技領(lǐng)域率先得到了 應(yīng)用 ,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域也得到了廣泛普及 . 但碳纖維的生產(chǎn)成本較高成為制約其進(jìn)一步發(fā)展 和應(yīng)用的重要影響因素 .影響碳纖維生產(chǎn)成本的 因素主要是

6、原絲及其基本價(jià)格 ,紡絲工藝成本 , 預(yù)氧化新工藝及設(shè)備成本 ,碳化新工藝及設(shè)備價(jià) 格.因而在穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上 , 研究國(guó)產(chǎn)碳纖維低成本生產(chǎn)的途徑 ,是當(dāng)務(wù)之急 的戰(zhàn)略任務(wù)之一 .近年來(lái) ,國(guó)外對(duì)碳纖維技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究也集 中在提高性能和降低成本方面 .日本東麗公司根 據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料市場(chǎng)發(fā)展的需求 ,已決定逐步淘汰 T300 類(lèi)碳纖維 , 重點(diǎn)發(fā)展抗拉伸強(qiáng)度為 4000 5000MPa和價(jià)格與T300基本相當(dāng)?shù)奶祭w維品種, 同時(shí)由于大絲束碳纖維性價(jià)比較高 ,也開(kāi)始發(fā)展 大絲束碳纖維13】.美國(guó)為降低碳纖維價(jià)格，推出 了低成本碳纖維研制計(jì)劃 .國(guó)外某些研究部門(mén)正 試驗(yàn)采用聚丙烯腈外的其他

7、材料作高性能碳纖維 收稿日期 :2011.0503作者簡(jiǎn)介 :梁燕（1983.）,女,山西運(yùn)城人 ,碩士 ,從事聚丙烯腈碳纖維的研究,（電話 電子信箱 ）liangyan922. 高科技雛與應(yīng)用第 36 卷 用原絲,或是通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有聚丙烯腈原絲的工藝 技術(shù),例如采用化學(xué)改性 ,輻照穩(wěn)定化處理等 , 達(dá)到降低原絲成本的目的【 4.在全球節(jié)能降耗的大環(huán)境下 ,作者針對(duì)碳纖 維低成本制備技術(shù) ,碳纖維制備過(guò)程中的節(jié)能降 耗等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述和分析 .1碳纖維制備工藝及成本分析 碳纖維生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng) ,技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多 ,生 產(chǎn)壁壘高 ,是多學(xué)科和多技術(shù)的集成 .目前,世界 碳

8、纖維技術(shù)主要掌握在日本東麗公司 ,東邦公司和 三菱人造絲公司手中 ,這 3 家企業(yè)技術(shù)嚴(yán)格保密 .而美國(guó)赫克塞爾（Hexcel）阿莫科（Amoco）,卓爾泰克（Zoltek）等其他碳纖維企業(yè)均處于成長(zhǎng)階段 ,生產(chǎn)工藝還處于不斷完善階段 l5.PAN 基碳纖維的生產(chǎn)主要分為兩步 :第一步 是原絲的制備 ,包括聚合和紡絲 ;第二步是原絲 的預(yù)氧化和高溫碳化 ,即碳纖維的制備 .預(yù)氧化 的目的是使得 PAN 線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu),使其在高溫碳化時(shí)不熔不燃和保持纖維形 態(tài) ;碳化則是碳纖維形成的主要階段 ,若制備高 模量石墨纖維 ,還需在氬氣氣氛中對(duì)已碳化的碳 纖維再進(jìn)行高溫石墨化處理表1為

9、PAN基碳纖維 制備工藝分擔(dān)成本 J.由表 1 碳纖維制造工藝分擔(dān)成本以及國(guó)內(nèi)外 對(duì)碳纖維制造成本構(gòu)成的精確分析 :原絲制造成 本約占總成本的 51%,耗時(shí)冗長(zhǎng)并需高溫的預(yù)氧 化處理是能耗的主要工序 ,所以國(guó)際上的低成本 生產(chǎn)路線 ,主要針對(duì)這兩大領(lǐng)域采取措施 .2 碳纖維低成本制備技術(shù)眾所周知 ,傳統(tǒng)的碳纖維制備技術(shù)再要大 表1碳纖維制備工藝分擔(dān)成本 美元 /kg幅度降低成本的可能性不大 ,只有采用 "新原材 料","新技術(shù)"和"新工藝",才能達(dá)到 "低 成本"和"擴(kuò)大應(yīng)用 "的目的.通過(guò)創(chuàng)新

10、研發(fā) "新技術(shù) ",通過(guò)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn) "低成本".2.1 新原材料探索采用 PAN 以外的其他材料用作高性能碳 纖維用的原絲 ,包括造紙副產(chǎn)物的木質(zhì)素 ,乙醇 生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物 ,以及低密度聚乙烯 ,高密 度聚乙烯 ,聚丙烯等其他聚烯類(lèi)高分子材料 .2.1.1 木質(zhì)素碳纖維 木質(zhì)素是一種從木頭中抽取的復(fù)雜化合物 , 成本 LLPAN 低,而且不受石油資源控制 .遵照 "美國(guó)復(fù)蘇和在投資法案 ", 美國(guó)能源部撥款 3 470萬(wàn)美元，在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）建立 個(gè)碳纖維技術(shù)中心 .該項(xiàng)目實(shí)行用于復(fù)合材料 的低成本碳纖維的研發(fā)和商業(yè)化

11、 .ORNL 于 2007 年首次從纖維素乙醇副產(chǎn)物所提取的 0t 一纖維素 , 通過(guò)熔紡和碳化而制備成低成本碳纖維 ,這種碳 纖維就是木質(zhì)素碳纖維 ,但迄今尚未產(chǎn)業(yè)化 . 日本森林綜合研究所與北海道大學(xué)農(nóng)學(xué)研究 院成功地開(kāi)發(fā)出由杉樹(shù)等針葉林的木質(zhì)素制備碳 纖維技術(shù) ,木質(zhì)素碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到以往 以石油為原料通用級(jí)碳纖維的水平 ,制造成本也 大體相同 .2.1.2腈綸基碳纖維ORNL 與葡萄牙的 FISIPESA 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)紡 織品級(jí)腈綸基原絲，相對(duì)PAN原絲成本1"k4.4美元 /kg.由于腈綸基碳纖維加工過(guò)程與傳統(tǒng)的PAN基碳纖維成型設(shè)備相似 ,可引入到目前的生產(chǎn)過(guò)程 中

12、,降低碳纖維的生產(chǎn)成本 .2.1.3 瀝青基碳纖維 瀝青是目前碳纖維領(lǐng)域中僅次于 PAN 基的第 二大原料路線 .資源豐富 ,價(jià)格低 ,是瀝青基碳 纖維生產(chǎn)成本上的優(yōu)勢(shì) .從瀝青的原料來(lái)源看 , 可分為石油系和煤系瀝青基碳纖維 ,而從精制處 理后和熔紡前的瀝青分子排列形態(tài)分類(lèi) ,又可分 為各向同性的通用級(jí)瀝青基碳纖維和各向異性的 中間相瀝青基碳纖維 . 1970年,日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的通用 級(jí)瀝青基碳纖維上市 ,至今該公司仍在規(guī)?；?產(chǎn).美國(guó)UCC公司于1970年成功開(kāi)發(fā)出了以石油 瀝青為原料的瀝青基碳纖維 ,目前其生產(chǎn)規(guī)模已 第 3 期梁燕 ,金亮,潘鼎,等:碳纖維低成本制備技術(shù) -

13、41達(dá)到1200t/a.日本三菱化學(xué)公司于1998年10月又 投產(chǎn)了一條 200t/a 的瀝青基碳纖維生產(chǎn)線 ,使該 公司的瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力達(dá)到了 500t/a. 該公司的高性能中間相瀝青基碳纖維 Dialead 產(chǎn) 品,其剛度為鋼鐵的 4.5倍,導(dǎo)熱性為銅的 2倍, 而質(zhì)量只有鋁的2/3,密度為1.72.2g/cm3.日本 石墨纖維公司是一家專(zhuān)門(mén)從事瀝青基碳纖維研制 和生產(chǎn)的企業(yè) .該公司自 2009年 5月完成新生產(chǎn) 線的建設(shè)后，瀝青基碳纖維的產(chǎn)能已為原有的3倍,即提高至 180t/a.據(jù)中投顧問(wèn)發(fā)布的2010.2015年中國(guó)新材 料產(chǎn)業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告顯示 ,我國(guó)自 20 世

14、紀(jì) 70 年代起就開(kāi)始了煤瀝青基碳纖維的試生 產(chǎn),例如上海焦化廠 ,中科院山西煤化所 ,原冶 金部山東煙臺(tái)新材料研究所 ,遼寧鞍山東亞碳纖 維公司等 .但是由于生產(chǎn)技術(shù) ,關(guān)鍵設(shè)備,資金 和管理等問(wèn)題 ,發(fā)展相對(duì)比較滯后 .近年來(lái) ,國(guó) 內(nèi)瀝青基碳纖維在全球節(jié)能減排的大潮流下 ,開(kāi) 始恢復(fù)了生機(jī) .我國(guó)湖南大學(xué)等單位正在研發(fā)的 廉價(jià)中間相瀝青熔噴法制原絲 ,并直接穩(wěn)定化和 碳化的技術(shù)值得盡快產(chǎn)業(yè)化 .它最大的特點(diǎn)是模 量和導(dǎo)熱系數(shù)較高 ,適用于做各種散熱材料 ,C/ C復(fù)合材料和剎車(chē)片，燃料電池電極，CFRP等制 品,填補(bǔ)我國(guó)這類(lèi)特殊產(chǎn)品的空白【 .2.2新工藝2.2.1 干噴濕紡濕法紡絲是

15、PAN 原絲的傳統(tǒng)紡絲方法 .1980 年前,PAN原絲常采用濕法紡絲，東麗T300, T800 等較高強(qiáng)度的碳纖維 ,都是由濕法紡絲的 原絲制得 .干噴濕紡比濕法紡絲多一個(gè)在空氣層 中高分子溶液的拉伸 ,但由于成型機(jī)理的改進(jìn) , 可以進(jìn)行高倍的噴絲頭拉伸 .目前國(guó)產(chǎn) PAN 基碳 纖維主要采用濕法紡絲 ,紡絲速度一般在 100m/ min,采用新的干噴濕法紡絲工藝，同等條件下紡 絲速度得到大幅提高 ,產(chǎn)量可提高 3倍以上,并 且產(chǎn)品質(zhì)量也可得到提 .原絲生產(chǎn)速度的大 幅度提高是降低成本的最有效手段 ,在高紡速的 干濕法紡絲工藝基礎(chǔ)上 ,采用特殊相對(duì)分子質(zhì)量 組成的聚合體 ,獲得更大倍數(shù)的高倍

16、噴絲頭拉伸 倍數(shù)的原液與可穩(wěn)定經(jīng)受更高飽和蒸汽拉伸倍數(shù) 的凝膠體原絲 , 來(lái)達(dá)到高速度和高穩(wěn)定性的原絲 制備 .2.2.2大絲束碳纖維 大絲束碳纖維是指每束碳纖維的根數(shù) >24k 的 碳纖維 ,屬于通用級(jí)碳纖維廣泛用于民用工業(yè) . 從價(jià)格上來(lái)講 ,大絲束碳纖維價(jià)格低于小絲束 , 有利于在民用工業(yè)中的應(yīng)用 .三菱麗陽(yáng)開(kāi)發(fā)了 "PyrofilP330" 大絲束碳 纖維新產(chǎn)品 ,產(chǎn)品綜合性能達(dá)到該公司 "TR50S/ TRH50"（相當(dāng)于T700水平）小絲束碳纖維的性 能水平 ,加工性能優(yōu)于其它同等絲束的碳纖維 , 可滿足大型風(fēng)電和高壓輸電線張力

17、新材的需求 . 并與寶馬公司共同設(shè)立新公司計(jì)劃用于汽車(chē)上 , 在中國(guó)鹽城則將與德國(guó) CFRP 風(fēng)電葉片廠家一起開(kāi) 發(fā)沿海風(fēng)電市場(chǎng) .與西格里公司合作成立大絲束 原絲廠 ,并委托西格里生產(chǎn) 750t 大絲束碳纖維 , 與美國(guó) CEM 公司合作開(kāi)發(fā)飛機(jī)用 CFRP 材料,希 望以此來(lái)擴(kuò)大應(yīng)用并實(shí)現(xiàn) 2011 年扭虧為盈【 .美國(guó)卓爾泰克 (ZOLTEK) 公司是世界最大 的大絲束碳纖維廠家之一 ,為了應(yīng)對(duì)金融危機(jī)和 航空業(yè)不景氣的影響 ,一方面收購(gòu)了墨西哥的一 家腈綸廠 ,用不到一年的時(shí)間改造成大絲束原絲 生產(chǎn)廠 ,并改進(jìn)該原絲的生產(chǎn)效率 ,以期降低生 產(chǎn)成本 ,同時(shí)開(kāi)發(fā)了易于浸漬樹(shù)脂的單向 (u

18、D) 和多向(MD)織物，如同浸漬玻纖織物一樣便 捷 ,而其成本較低 .這樣既可滿足風(fēng)力發(fā)電葉片 愈來(lái)愈長(zhǎng)并將持續(xù)以 20%25%的年需求量增長(zhǎng) 的需求 I"】 .土耳其 AKSA 公司將其腈綸廠轉(zhuǎn)產(chǎn) PAN 原 絲,并引進(jìn)美國(guó)哈泊公司碳化設(shè)備開(kāi)發(fā)了 12k 和 24k大絲束原絲和碳絲生產(chǎn)工藝，短短數(shù)年內(nèi)，產(chǎn) 品已經(jīng)立足于世界市場(chǎng) .中國(guó)有不少碳纖維的工 業(yè)和商用需求 ,在航空航天以外的碳纖維應(yīng)用 , 由于成本控制，主要以24k以上的大絲束為主【鍆 目前,國(guó)內(nèi)所用大絲束碳纖維主要依靠進(jìn)口 .研 究大絲束碳纖維的生產(chǎn)工藝 ,發(fā)展大絲束碳纖 維,降低碳纖維的生產(chǎn)成本 ,使國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)

19、得到持久的發(fā)展 .2.3 新技術(shù) 2.3.1聚合部分 聚合涉及傳熱 ,傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)諸多問(wèn)題 , 決定 PAN 的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)【】 .(1) 聚丙烯腈進(jìn)行化學(xué)改性 :選擇添加親水成 分的新的共聚組分 ,或在共聚組分中加入預(yù)氧化 高科鍵耋 '牛雛與應(yīng)用第 36 卷 促進(jìn)成分和氧透過(guò)促進(jìn)成分 ,均可通過(guò)寬化放熱 峰;加快預(yù)氧化反應(yīng)速度 ,改善預(yù)氧化和環(huán)化 , 使預(yù)氧化工藝容易控制和快速進(jìn)行 .(2) 提高聚合體相對(duì)分子質(zhì)量 ,有利于原絲耐 熱性的提高 ,預(yù)氧化和碳化過(guò)程中難以降解形成 缺陷;并有利于高紡速下分子鏈的牽伸取向和紡 絲成形.(3) 用離子交換樹(shù)脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精餾方式 ,進(jìn) 行單

20、體和溶劑的純化處理 ,不但可以提高純化產(chǎn) 品的純度 ,還可以達(dá)到大幅度節(jié)能減排 .2.3.2原液部分(1) 通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)提高紡絲液濃度 ,提高 了加工效率 ,有利于成本的下降 .(2) 氨化 :為提高聚合紡絲液的親水性 ,聚合 后要進(jìn)行氨化 ,其目的是延遲相分離和得到致密 的凝膠網(wǎng)絡(luò)和高性能碳纖維 .對(duì)原液進(jìn)行氨化處 理 ,增加原液的親水性 ,不僅可提高原絲的凝固 及預(yù)氧化質(zhì)量 ,還有利于紡絲速度的提高 ,成本 的降低.2-3.3紡絲部分(1) PAN 熔融紡絲【 : 無(wú)溶劑的熔融紡絲工藝 流程大大縮短 ,并且除了溶劑的直接開(kāi)支可以節(jié) 省,在溶劑回收和三廢處理的大量能耗還可以節(jié) 省 .成本

21、可以大幅度下降 .(2) 凝膠法紡絲 :采用高相對(duì)分子質(zhì)量聚合體 以凝膠法紡絲新技術(shù) ,可以成倍甚至幾十倍提高 噴絲頭拉伸倍數(shù) ,大幅度提高紡絲速度 .東華大學(xué) 提出的新型紡絲機(jī)理及紡絲方法 ,以干噴濕紡為基 礎(chǔ) ,引入熱致變凝膠化機(jī)理 ,不僅可以保持并加強(qiáng) 干濕法原有致密 ,光滑和無(wú)大孔的優(yōu)點(diǎn) ,克服皮層 過(guò)密 ,氧擴(kuò)散阻力大和難以高倍拉伸的缺點(diǎn) ,這種 新型的紡絲方法被稱(chēng)為凝膠法紡絲 .(3) 原絲經(jīng)銅鹽 ,錫化物 ,KMno4,COC12, 路易斯酸等化學(xué)處理 ,然后穩(wěn)定化 ,不但可以加 快預(yù)氧化速度和降低環(huán)化溫度 ,降低成本 ,還可 以提高碳纖維強(qiáng)度 .(4) 利用浸漬處理方式 ,在濕

22、態(tài)的初生原絲 中添加入預(yù)氧化促進(jìn)成分和氧透過(guò)促進(jìn)成分 ,也 可以促進(jìn)預(yù)氧化在較低的溫度下快速完成 .用浸 漬方式 ,在原絲表面附著延遲預(yù)氧化的元素或聚 合物,可防止因原絲表層部分因過(guò)快氧化變得致 密 ,而導(dǎo)致芯部的預(yù)氧化速度明顯降低 ,從而起 到了間接提高預(yù)氧化速度及減小預(yù)氧化絲鞘芯結(jié) 構(gòu)生成的作用 .(5) 高壓蒸汽拉伸印是提高碳纖維強(qiáng)度的一項(xiàng) 極其重要的措施 ,但是由于處理?xiàng)l件的要求十分 苛刻,要同時(shí)得到快速高倍拉伸與防止毛絲產(chǎn)生 的雙重效果,為避免毛絲產(chǎn)生 ,往往不得不降低 拉伸速度 .若采用串聯(lián)的兩段拉伸設(shè)備與工藝 , 可以通過(guò)對(duì)兩段蒸汽溫濕度和壓力的精確控制 , 在預(yù)熱預(yù)濕處理段使被

23、拉伸原絲完全達(dá)到理想狀 態(tài)后 ,再進(jìn)入拉伸段快速和穩(wěn)定地進(jìn)行拉伸 .既 可以保證拉伸取向的效果 ,又可以避免毛絲等的 缺陷產(chǎn)生 .2.3.4預(yù)氧化部分 預(yù)氧化工序在高性能碳纖維成本中所占的比 例約為 16%,而且當(dāng)前的預(yù)氧化工序的時(shí)間也比 較長(zhǎng) ,降低能耗對(duì)降低成本有重大現(xiàn)實(shí)意義 .(1) 原絲輻照穩(wěn)定化 :采用某些射線照射原 絲,可使其在常溫下開(kāi)始交聯(lián) ,可以在提高預(yù)氧 化的速度下 ,防止并絲及燃燒所引起的事故的發(fā) 生 ,并可明顯降低能耗及三廢處理的成本 .(2) 等離子預(yù)氧化 :采用新型的等離子體能源 代替能耗大的低溫預(yù)氧化技術(shù) ,既可有利于能量的 節(jié)省 ,還有利于高速預(yù)氧化過(guò)程中操作的進(jìn)

24、行 1.(3) 外熱式循環(huán)氧化爐方式的預(yù)氧化 ,是靠加 熱元件直接加熱為主 ,熱空氣循環(huán)加熱為輔 ,既 可使預(yù)氧化溫度均勻 ,導(dǎo)熱順利 ,還可利用廢氣 進(jìn)行熱交換，可使空氣預(yù)熱至80100C，節(jié)能約 20%,利于節(jié)能.(4) 通過(guò)用計(jì)算機(jī)模擬反應(yīng)器內(nèi)氣流場(chǎng) (包括 進(jìn)入的空氣流和輸出的反應(yīng)尾氣 ),溫度場(chǎng)的分 布狀況 ,氧化和環(huán)化反應(yīng)熱的傳遞及排除狀況 , 設(shè)計(jì)并制造了新型疊層式預(yù)氧化爐 ,在單絲爐膛 的上部平行設(shè)置多個(gè)雙絲爐膛 ,以層疊方式對(duì)絲 束進(jìn)行多段牽伸 ,提高了單位占地面積內(nèi)的預(yù)氧 化效率 ,解決了進(jìn)口箱式預(yù)氧化爐能耗高 ,纖維 易蓄熱著火等問(wèn)題 ,實(shí)現(xiàn)了寬幅預(yù)氧化爐爐膛溫 度的分布

25、均勻性 ,為均質(zhì)預(yù)氧化提供了保證 . 2.3.5碳化部分 碳化是制備高性能碳纖維的關(guān)鍵工序 ,這些 工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為 25% 30%,而且對(duì)最終產(chǎn)品的性能有極大的影響 .(1) 微波碳化和石墨化 :用微波技術(shù)來(lái)替代上 第 3 期梁燕 ,金亮,潘鼎,等:碳纖維低成本制備技術(shù)一 43 千度高溫的加熱 ,大大減少熱能的消耗 1.(2) 三菱人造絲公司發(fā)明的新型碳化爐 ,可抑 制碳化反應(yīng)生成的分解物附著和堆積于爐壁和纖維 上 ,從而穩(wěn)定高效地生產(chǎn)高強(qiáng)高模的碳纖維 1.(3) 預(yù)氧化碳化廢氣零能耗處理和熱能回收技 術(shù):將預(yù)氧化爐和碳化爐內(nèi)的廢氣合并進(jìn)入焚燒 爐,在氧氣氛圍中自主式高

26、溫焚燒后的排放氣體 達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放 ,同時(shí)回收熱能 .利用廢氣 在氧氣氛圍中的自燃式的焚燒方式節(jié)省了大量的 能源 ,減少了碳排放 .2.4 生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化 碳纖維生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化可降低設(shè)備投資 .根 據(jù)目前數(shù)據(jù)顯示 ,碳纖維及其原絲生產(chǎn)裝備中 ,進(jìn) 口設(shè)備造價(jià)一般為國(guó)產(chǎn)設(shè)備造價(jià)的 35倍2.采用 國(guó)產(chǎn)設(shè)備,降低綜合設(shè)備和廠房投資 ,可以大大降 低固定資產(chǎn)折舊成本 ,將使原絲成本降低 3000 5000元/t.碳纖維成本將降低500020000元/t. 研發(fā)碳纖維制造的專(zhuān)用設(shè)備是戰(zhàn)略性考量 , 是國(guó)產(chǎn)化的重要舉措 .高壓蒸汽牽伸機(jī) ,預(yù)氧化 爐,低溫碳化爐等碳纖維制備的關(guān)鍵設(shè)備是研制 高性能碳

27、纖維的要點(diǎn)之一 .高壓蒸汽牽伸機(jī)是紡 絲線的關(guān)鍵設(shè)備 ,國(guó)內(nèi)通過(guò)自主創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)在線 配套,現(xiàn)已取得了顯著成效 .預(yù)氧化爐大多采用 熱循環(huán)式 ,以降低能耗 .生產(chǎn)小絲束碳纖維 ,采 用由上而下循環(huán)為好 ;對(duì)于大絲束 ,則采用側(cè)向 循環(huán)為宜 .不論哪種循環(huán)形式 ,要求預(yù)氧化爐內(nèi) 的溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)要均勻 .預(yù)氧絲經(jīng)過(guò)低溫碳化 爐時(shí) ,自身質(zhì)量的 40%左右要熱解掉 ,產(chǎn)生大量 的廢氣和焦油 .如何瞬時(shí)將它們派出爐外是設(shè)計(jì) 低溫碳化爐的關(guān)鍵所在 2".多紡位高倍噴絲頭拉 伸干濕法 (包括凝膠法 )紡絲及高倍飽和蒸汽拉 伸設(shè)備的制造 ,150束以上多絲束節(jié)能高效型寬幅預(yù)氧化爐及高溫碳化爐的制造

28、 ,均可大幅降低PAN 基碳纖維的制造成本 .3 小結(jié) 低成碳纖維關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用 ,使碳纖維生產(chǎn) 制造成本降低 20%以上 .低成本碳纖維的開(kāi)發(fā)將 大幅節(jié)約碳纖維復(fù)合材料的制造成本 ,將擴(kuò)大碳 纖維在更多領(lǐng)域的使用范圍 . 低成本碳纖維項(xiàng)目的研發(fā)是基于世界氣候環(huán) 境下提出的 ,在當(dāng)前提倡節(jié)能減排和能源高效利 用的大背景下 ,碳纖維低成本制備技術(shù)的開(kāi)發(fā) , 降低了碳纖維的生產(chǎn)成本 ,降低了碳纖維的價(jià) 格,促使社會(huì)上更多行業(yè)及領(lǐng)域可以用得起和用 得上碳纖維 ,新材料的替換將會(huì)大大降低能耗 , 減少碳排放 ,將會(huì)對(duì)全國(guó)乃至全球的氣候環(huán)境做 出極大貢獻(xiàn) .低成本碳纖維將大批量投放市場(chǎng) ,可有力 地沖擊

29、國(guó)外碳纖維企業(yè)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的長(zhǎng)期壟斷地 位 ,扭轉(zhuǎn)我國(guó)碳纖維完全依賴(lài)進(jìn)口的局面 ,極大 地緩解民用和軍用領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求 .在技術(shù) 和設(shè)備方面不斷創(chuàng)新 ,也將帶動(dòng)碳纖維行業(yè)及紡 織化纖工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整 ,技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)升級(jí) . 并進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)高性能纖維及其先進(jìn)復(fù)合材料 以及航空 ,航天 ,新能源等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展 ,大 幅度提高并促進(jìn)我國(guó)相關(guān)行業(yè) ,如電子工業(yè) ,軍 事工業(yè) ,交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的快速發(fā)展 . 參考文獻(xiàn) :1張家杰 .國(guó)內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .化工技 術(shù)經(jīng)濟(jì) ,2005,23(4):1219.2益小蘇 ,范欣愉 .大飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)引領(lǐng)纖維產(chǎn)發(fā)展的思考J_高科技纖維與應(yīng)用，2

30、009,34:1-8.3 羅益鋒.全球碳纖維新形勢(shì)，對(duì)策與未來(lái)發(fā)展J.新材料產(chǎn)業(yè),2010,(9):32.35.4 賀福，孫微.迅速發(fā)展的我國(guó)碳纖維工業(yè)【J.高科技纖維與應(yīng)用 ,2009,34(5):15-20.5】趙稼祥.碳纖維低成本制備技術(shù)J,高科技纖維與應(yīng)用，2003，28(6):12-14.6 林剛，馮軍，申屠年.掌握前沿創(chuàng)新理念科學(xué)發(fā)展一中國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料發(fā)展之我見(jiàn)J.高科技纖維與應(yīng)用，2010，35(5):20-25.7 H.DASARATHY ，W.C.SCHMIPHF，S.B.SMITH，C.A.LEONYLEON，B.C.HANSEN，C.W.HERREN，A.DRAME

31、，P.W.HEATHERLY.LowcostcarbonfiberfromradiatedtextileacrylicsR.BaltimoreMD:SAMPE2002，2002.8 王惠蘭，姚金國(guó) .處于平穩(wěn)增長(zhǎng)期的瀝青基碳纖維 J_高科技纖維與應(yīng)用 ，2010，35(3):2025.9】賀福.高性能碳纖維原絲與干噴濕紡J.高科技纖維與應(yīng)用 ，2004，26(4):1013.44一高科鍵重 '手雛與應(yīng)月 9第 36卷10 三菱麗陽(yáng)的目標(biāo)是 2011年的碳纖維事業(yè)扭虧為盈 N.化學(xué)工業(yè)日?qǐng)?bào) ，2009，(935):2227.11 羅益鋒.創(chuàng)新為世界高性能纖維帶來(lái)勃勃生機(jī)J.高科技纖維與應(yīng)

32、用 ，2009，34(3):7-9.12 賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù) M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004.13 任富忠，呂春祥等.氨化對(duì)濕紡PAN初生絲條結(jié)構(gòu)的影響J.新型炭材料,2004,:10-13.14 何翼云,施祖培 .聚丙烯腈熔融紡絲技術(shù)進(jìn)展 -.合成纖維 _r-,Xk,1998,21(2):3236.15】潘鼎，譚連江,姜會(huì)鈺.凝膠化理論初探及PAN原絲的凝膠法紡絲J.高科技纖維與應(yīng)用，2010,35(1):19-22.16賀福.高性能碳纖維原絲與加壓水蒸汽牽伸機(jī)J.高科技纖維與應(yīng)用 ,2004,29(6):9-12.1 7徐海萍,孫彥平,陳新謀.射頻等離子法 PAN 基預(yù)氧化纖維微觀結(jié)構(gòu)表征J_科學(xué)通報(bào),2003,(3):9-12.【18H.DASAK&THY ,W.C.SCHMIPI-IF,S.B.SMITH,CALEONY LEON,B.C.HANSEN,C.W.HERREN,A.DRAME,RW.HEATHERLY.Lowcostcarbonfiberfromradiated textileacrylicsR.BaltimoreMD:SAMPE2002,2002.19】汪家銘.聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展與應(yīng)用 J .化工新型材料,2009,(08):18-19.20 朱波.PAN基碳纖維制備成本構(gòu)成分析及其控*,14gd