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《Carbon 》

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《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
沥青基炭纤维
(Pitch Based Carbon Fiber)

  沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体,经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料。沥青炭纤维在20世纪60年代初由日本学者大谷杉郎首先研制成功,并于1970年由日本吴羽化学工业公司进行工业化生产。此后,由于碳质中间相的发现和“液相炭化”工艺的开发,特别是美国学者Singe等人在70年代用中间相沥青制造高性能连续沥青炭纤维工艺的开发成功,使沥青炭纤维的研究开发进入了一个新的阶段。由美国联合碳化物公司(UCC)制造的以“Thornel-P”为代表的高性能级沥青炭纤维问世,标志着沥青炭纤维工艺趋于成熟,成为继聚丙烯腈基炭纤维之后又一新型炭纤维材料。

  煤及石油加工副产物以及合成沥青均可作为沥青炭纤维的原料。沥青调制是沥青炭纤维制造中的一项重要工艺步骤,原料沥青经热致和溶致等主要调制手段,得到的调制沥青可作为纺丝沥青。调制成的纺丝用沥青原料, 因其调制方法的不同而呈不同的特性,一般分为两类,即①普通纺丝用沥青(各向同性沥青),②高性能纺丝用沥青(中间相或潜在中间相型沥青)。沥青调制处理是使调制成的沥青的组成结构尽量整齐均匀的处理工艺。因为用于熔融纺丝的这种调制沥青,决定着沥青的可纺性、热稳定性、流变特性以及炭化收率等性状,并关系到由其制成的炭纤维的性能。原料来源不同,其调制将会涉及到多项化学化工技术,诸如沥青的氧化、氢化、树脂化、晶质化等方法。普通沥青基炭纤维的纺丝用原料调制工艺比较简单,一般是将原料沥青的杂质微粒(>4μm)去除后经加热处理,制成软化点180℃以上的沥青,即可作为纺丝用沥青。具有高强度、 高模量的高性能连续沥青基炭纤维,其纺丝用原料的调制比较复杂,原料沥青须经过一系列预处理除去杂质,精制,再在调整压力下加热处理,使其中的稠环芳烃分子缩合成中间相小球,并进一步融并成具有可纺性的中间相体,以此作为纺丝用沥青。近年来又开发出以纯芳烃(如萘)缩聚的合成沥青为原料,也取得良好的效果,并已在日本实现工业化生产。

  调制得到的纺丝用沥青,可应用熔融纺丝原理纺成沥青纤维。一般普通纺丝用沥青纺成短毛型纤维或直接成毡,所用的成纤方法有涡流纺、喷纺、离心纺等。高性能纺丝用沥青多纺成连续沥青长丝,大体上可采用化纤纺丝设备进行连续长纤维纺制。由于沥青的冷脆特性,在长丝纺制过程中,对沥青长丝的集束、上油、牵伸等工艺操作步骤,要求十分严格,必须精细控制。纺得的沥青纤维,其截面依喷丝孔形状而定,一般为圆形,也有三叶形(Y),十字形(+)等非圆截面,还可纺成空心的中空纤维。

  纺成的沥青纤维,经过不熔化、炭化、石墨化等热处理,分别得到沥青的不熔化纤维、炭纤维或石墨纤维。

  沥青纤维的不熔化处理,在氧化性气氛中进行,最高处理温度约330℃左右。在此过程中沥青大分子间通过氧化交联等反应,使沥青纤维转变为不熔化纤维,由此保持纤维形态。炭化是在惰性气氛中进行,通常处理温度为1000℃~1500℃左右,使不熔化沥青纤维排除非碳原子形成沥青炭纤维。炭纤维的石墨化处理,通常是在2500℃左右的惰性气氛中进行,促进沥青多环芳烃分子沿纤维轴定向,以提高纤维的弹性模量等力学性能和导电、导热性。

  由沥青制造的炭纤维,根据工艺条件的差异,可呈现不同的物化特性。从力学性能上比较,可以分成普通级(GP)、高性能级(HP),以及介于GP与HP之间的中等性能级等几类。普通沥青基炭纤维(GP-PCF)为光学上各向同性的炭纤维,力学性能较低;高性能沥青基炭纤维(HP-PCF)则为光学各向异性的炭纤维,抗拉强度和模量等力学性能很高。这种物性上的差异,主要在于后者纺丝用的调制沥青为中间相或潜在中间相型沥青。

  高性能级沥青炭纤维,可与PAN基炭纤维媲美,用于航天、航空及高级运动器材;普通级沥青炭纤维则在民用工业中具有广泛用途,如用作隔热材料、磨耗制动材料、耐腐蚀材料、导电和屏蔽材料、音响材料等等,尤其在建筑材料方面作为水泥增强材料,用量很大,令人瞩目。

  尽管沥青基炭纤维具有原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纤维等优点,然而,要得到高性能炭纤维,其加工过程复杂,难以获得高抗拉强度和压缩强度。因此,虽在80年代有较快发展,但至今仍不能取代聚丙烯腈基炭纤维的主导地位,只是由于其具有某些其它种类炭纤维无法比拟的特性而进行一定量的生产。

李安邦、高瑞林 供稿

From 新型炭材料 1999年 第14卷 第1期