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《Carbon 》

《 新 型 炭 材 料

《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
粘胶基炭纤维
(Rayon Carbon Fiber)

  18世纪中期,英国人约瑟夫.斯旺(J.Swon)和美国人爱迪生(E.Tdisin)利用棉、竹等天然纤维素经过一系列后处理制造炭丝,试制电灯的灯丝。世界上第一盏电灯的灯丝就是用爱迪生制造出的炭丝。之后, 由于发明了钨丝的制造方法,它更有效地将电能转换为光能,且使用寿命长,一直沿用至今。从此,炭丝的研制工作停顿下来,无人问津。但是,斯旺和爱迪生发明的粘胶炭丝制造方法为后人继续研制粘胶基炭丝奠定了基础,他们无愧是研制炭纤维的先驱。

  本世纪50年代初,随着冷战和新一轮军备竞赛开始,航天航空和军事工业等尖端技术得到迅猛发展,人们寻求具有高比强度、高比模量和耐烧蚀等特性的新型材料,它为炭纤维的发展提供了良机。炭纤维的研究与开发又引起各国的极大关注。1950年,美国帕斯空军基地开始研制粘胶基炭纤维,与此同时美国联合碳化物公司(UCC)也投入大量人力、物力和财力进行开发,最早上市商品化炭纤维Thornel-25就是该公司的第一代产品。50年代~60年代,是粘胶基炭纤维发展的鼎盛时期。之后,随着PAN基、沥青基炭纤维的相继问世和强劲发展,粘胶基炭纤维工业受到很大冲击,逐步萎缩,但仍保留着小规模的生产能力。前苏联在70年代初开始研制粘胶基炭纤维,目前无论是质量、产量、品种和应用都居世界之首。当前世界上研究和生产粘胶基炭纤维的主要国家有俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、美国、印度和中国,粘胶基炭纤维总产量仅占世界炭纤维总量V/的1%左右。

  生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆,我国则以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液,用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗和浸渍催化剂后,再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制造粘胶基炭纤维的重要工序,是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。

  纤维素的基本链节单元是β-D-葡萄糖,通过1,4-苷键相连接成线型大分子。它的结构单元中有三个羟基,即一个伯羟基和两个仲羟基,分别在6.2.3三个碳原子上,赋予其较强的吸水(湿)性,而1,4-苷键则是热裂(解)的基础。在热处理过程中,未脱掉羟基的链节转化为左旋葡萄糖,进一步再转化为焦油;脱掉羟基的链节则向碳四残链(片)转化,进一步转化为乱层石墨结构。浸渍催化剂处理后,由于可降低热解活化能,强化了脱除羟基过程,从而抑制了左旋葡萄糖的生成,有利于提高炭化收率和粘胶基炭纤维的性能。目前,新的催 化体系、高效催化体系和功能催化体系仍在继续研究,一旦有所突破将促进粘胶基炭纤维的发展。

  粘胶基炭纤维在结构和性能上有许多独道之处,其它种类炭纤维无法与其比拟,因而不会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在:比重小,一般比PAN基、沥青基小15%左右,所制复合材料的结构轻量化效果更显著;属于难石墨化炭,类似玻璃炭,层间距d002大,石墨微晶不发达,排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大,属于大伸长型炭纤维,韧性好,易深加工;碱、碱土金属含量低,抗氧化和热稳定好,耐烧蚀;它由天然纤维素转化而来,生物相容性好,这也是其它类型炭纤维无法与其比拟的。 由于粘胶基炭纤维具有上述特性,在某些领域得到广泛应用。

  粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面:(1)战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶炭纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔(防)热材料,利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特性和酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能,两者的性能叠加,使其复合材料的综合性能优异无比,成为当今仍是不可取代的防热材料。美国和俄罗斯仍保留有年产百吨级粘胶基炭纤维的生产能力,原因就在于此。(2)隔热保温材料。材料的热导率与其密度成正比,低密度的粘胶炭纤维赋予其优异的隔热保温性能。此外,炭材料靠晶格波传热,它的La较小,也使其具有隔热保温性能。软式和硬式炭毡作为隔热保温材料已得到广泛应用。(3)各类加热器。利用粘胶基炭纤维的导电性和柔软可加工性来制造各类加热器材。炭纤维、炭带、炭布和炭纸都可作为发热元件,可与橡胶、塑料、无机绝缘材料复合制造各种形状、不同功率、不同用途的加热器材。俄罗斯在这方面的应用开发相当成功,值得我们借鉴。(4)医用生物材料。利用粘胶基炭纤维与生物的相容性制造医用生物材料,如医用电极和探头、韧带,骨夹板和假骨。值得一提的是外伤包扎带(绷带),已在俄罗斯等国得到实际应用,是值得研制和推广的项目。此外,粘胶基炭纤维经活化处理后可制得 活性炭纤维,柔软性和可深加工性也是无比优异的。

  粘胶基炭纤维能否东山再起?取决于它的系统工程创新。

贺福 供稿

From 新型炭材料 1999年 第14卷 第2期 P79