中国碳纤维的“东丽组合”：吉林碳谷+中复神鹰

作者：张馨予

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作者：郑嘉伟

源自：申万宏源研究

1. 碳纤维生产流程&主要技术拆解

1.1 原丝制备第一步——聚合核心在于多指标控制下的高效稳定反应

原丝的制备第一步是聚合过程得到原液

聚合是制备原丝至关重要的步骤。原料丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜（DMSO）与共聚单体和引发剂偶氮二异丁腈一起按配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，然后进行脱单脱泡处理后得到聚丙烯腈原液。

聚合过程中聚合温度、引发剂用量、水和单体比的控制问题是技术的关键。聚合反应过程中温度的控制非常重要，温度低，反应速率慢；温度高，反应速率快，但聚合物的立构规整性变差，会影响原丝、碳丝的质量。

引发剂用量、水和单体比会影响聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指标，具有较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质PAN原丝的基本要求。

1.2 预氧化——联结PAN原丝和碳纤维的纽带

预氧化提高原丝热稳定性，为碳化铺垫

预氧化处理又被称为热稳定化或不熔化处理，通常是指在空气气氛中200～300C下对PAN原丝进行的热处理，处理过程中需对PAN原丝施加一定的张力，阻碍大分子链段的解取向运动，从而减少纤维的收缩。

该过程的目的是使线性的PAN大分子链转化为耐热的含氮梯形结构，这种梯形结构可以使PAN原丝在后续的碳化过程中不熔不燃，并且保持纤维形态，从而得到高质量的碳纤维。

预氧化处理是PAN在热处理过程中发生反应最复杂、最集中的一步，在这一过程中PAN大分子会经历一系列的化学变化和物理变化，研究学者们对PAN在预氧化过程中发生的物理化学反应以及结构演化机理的研究仍未达成定论。

目前，研究普遍认同线性的PAN大分子链在预氧化过程中发生的一系列化学反应主要包括环化反应、脱氢反应、氧化反应和交联反应，并伴随着颜色、密度变化以及热机械性能的改变，同时伴随着大量的放热。

时间、温度和牵伸张力是关键

预氧化处理是碳纤维制备过程中至关重要的一步，是联结PAN 原丝和碳纤维的纽带，起到承上启下的作用，预氧化炉炉温的调校和标定、预氧化炉温度的控制、停留时间的控制、过程中静电的处理、氧化炉内部风速的控制、牵伸速度的控制等都对预氧丝的性能有非常大的影响。

1.3 碳化/石墨化——去除非碳元素，形成碳纤维

预氧丝碳化得到碳丝

预氧丝的碳化过程在高纯氮气中进行，一般包括300～1000C的低温碳化和1100～1600C的高温碳化两个阶段。随着碳化的不断进行，预氧丝中的非碳元素（H、O、N）从稳定的聚合物中裂构出来，较小的梯形聚合物结构之间不断进行交联、缩聚，且伴随热解，梯形结构逐步向乱层石墨结构转化，最终生成含碳量在90%以上的碳纤维。

碳化后的碳纤维有时为了提高模量，在2000～3000C的高温下进行石墨化处理。石墨化过程中，碳纤维中残留的N、H等非碳元素进一步被除掉，C-C键重新分布，聚合物中非芳构化的碳的成分减少，转化为类似石墨层面的组织。石墨化处理过程并不减少碳纤维的重量，但能改善碳纤维中微晶的序态和沿纤维轴的取向。

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1.4 表面处理/上浆——制成复合材料必要步骤

表面处理是碳纤维制成复合材料必要步骤