碳纤维的物理化学性能

首先采用无污染的碱性过氧化氢法研究了半纤维素的分离与提取,然后对提取的半纤维素分别进行化学水解和酶水解比较,最后研究了水解液发酵制备木糖醇。结果表明,半纤维素分离提取的优化参数为:2%过氧化氢,2%氢氧化钠,加热时间4 h,反应温度75℃。使用CF3COOH水解半纤维素所得木糖含量为67%~73%,水解率为76%~84%,稀盐酸预处理半纤维素再化学水解所得木糖含量高达88%,水解率上升至大约90%。半纤维素的酶水解实验表明,木聚糖酶的水解专一性高于半纤维素酶,木聚糖酶水解率为38%~60%。在水解液发酵实验中,酶水解液的木糖醇转化率高于化学水解液。另外,通过浓缩半纤维素水解液,提高发酵液的木糖初始浓度,有利于菌株生长,可以提高木糖醇转化率。

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性 外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

1、预处理步骤：碳纤维丝束编织成一定的结构，然后将编织的碳纤维材料在树脂中预浸；

2、热压成型固化步骤：将预浸过树脂的碳纤维材料在热压成型机上热压固化获得碳纤维片材，热压时间为10～20min，热压温度为80～160℃，热压压力为2～8MPa，然后冷却开模

3、加工处理：将碳纤维片材在CNC上进行切边、钻孔等加工成所需要的结构

4、模内注塑成型步骤：先在碳纤维片材上涂覆一层热熔胶，烘烤干燥后，将处理过的碳纤维片材置入注塑成型机的注塑模具中进行注塑成型形成产品；

1、聚四氟乙烯商品名为“特氟隆”(Teflon, Flu on),简PTEE或F4,俗称塑料王,是当今世界上矾最耐腐蚀的材料之一,是制造液气体管道、热交换器等内容设备连接处的理想密封材料。

2、碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料，它与树脂组成的C/C复合材料是最耐腐蚀的材料之一。

3、氧化铜是目前最耐腐蚀的材料。瑞典一直在核废物处置领域处于世界领先水平,现在该国技术人员正在采用一种新的用氧化铜制造的容器来贮存核废物，从而能够保证安全贮存10万年。

4、铂金化学性质稳定；常温下不与盐酸、硝酸、硫酸以及有机酸发生作用，有“最耐腐蚀金属”这称，但溶于王水。钛由于很容易形成稳定的氧化钛（TiO2）保护膜，因此钛冷却管被认为是不受腐蚀和侵蚀的。

工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，但主要生产前两种碳纤维。由粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大，设备复杂，原料丰富碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单力学性能优良，自20世纪60年代后在碳纤维工业发展良好。

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。

原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。

碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

PAN基碳纤维的制备

聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。

生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体（丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等）共聚生成共聚聚丙烯腈树脂（分子量高于 6到8万），然后树脂经溶剂（硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等）溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h到3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理1600℃的碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。

由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。

第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。

第二、预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理（粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。

第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶纤维400到2000℃。

第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维3000到3200℃。

第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。

第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。 世界碳纤维产量达到每年4万吨以上，全世界主要是日本美国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。

当前，全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面，以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁；另一方面，国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场，中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加大了对碳纤维行业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下，国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。 中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨每年PAN基碳纤维，使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。

从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。利用自主技术研制的少数国产T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元，而2013年达到100亿美元，预计到2022年有望达到400亿美元，碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路，到“十一五“末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线，并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线。

2011年中国碳纤维市场规模达到6811吨，然而，受供应不足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来几年，随着供应量的提升，中国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。

技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。有数据显示，中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维的应用比例却高达80%左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。但国产碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发展。

中国高性能碳纤维都依赖进口，日本的碳纤维产量更是占全球市场份额的60%。2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。

碳纤维（CF）具有比强度高、比模量高、耐低温等优良特点，是近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。为提高复合材料的界面粘接强度，需对碳纤维进行表面处理来改善与基体材料的粘附性和浸润性。表面处理主要包括表面氧化法、表面涂层法、表面沉积法和表面聚合物接枝法等。

1、表面氧化法

表面氧化法是CF表面改性常用的技术手段，一般应用于CF的预处理阶段，可以使CF外表面被“刻蚀”且在石墨结构碳原子未饱和的区域产生羰基和羟基等基团，引入足够高浓度的活性基团，使复合材料的界面粘合强度得到有效提高。目前CF的氧化处理主要分为液相氧化法、气相氧化法和电化学氧化法。

- 气相氧化法用氧化性气体氧化表面引入极性基团，并给予适宜的粗糙度来提高复合材料层间剪切强度，是一种设备简单、操作方便、理效果好的处理方法；但氧化深度难以控制。

- 液相氧化法目前应用较多的氧化剂是浓硝酸和不同浓度的硝酸，但酸液和氧化剂会被碳纤维表面吸附，处理后不易被水洗脱，一定程度上会影响复合材料的性能。

- 阳极电解氧化法利用碳纤维的导电性能，以碳纤维作为阳极，石墨、铜板或镍板等作为阴极，在直流电场作用下，以酸碱盐溶液作为电解液，对碳纤维进行表面改性。反应速度快，氧化缓和且易于控制，改性效果显著。缺点是对碳纤维强度损伤较大，若不尽快涂覆树脂，处理的效果会很快消失。

2、表面涂层法

-偶联剂涂层法是利用偶联剂的双官能团化学结构，一端与纤维表面反应，一端与基体树脂反应，增强碳纤维与基体之间粘结性。界面改性效果好，且不会损伤纤维本身的力学性能。

-溶胶-凝胶法是将碳纤维在涂层溶胶中浸渍，然后在惰性气氛下高温焙烧获得涂层，在对碳纤维表面改性的同时提高耐氧化性。

-电聚合是在电场的引发作用下，使物质单体在碳纤维表面通过电场的引发作用进行聚合反应生成聚合物涂层，设备简单、工艺参数容易调节和控制。

3、表面沉积法

-气相沉积法是在碳纤维和树脂界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力，从而提高复合材料界面性能。

-化学镀又名无电电沉积，不需施加外电流，利用还原剂将溶液中的金属离子化学还原在呈催化活性的碳纤维表面。采用化学镀可在碳纤维表面涂覆金属涂层，镀层均匀、空隙较小、设备简单，改性的碳纤维强度与原丝相近；但镀液使用周期短，成本较高、效率较低。

-电沉积是将直流电通入具有一定组成的电解质溶液，通过电化学反应在电极与溶液之间的界面得到金属层，工艺成熟，比化学镀法所得沉积金属层较厚，沉积液成本低廉且使用周期长。

4、表面聚合物接枝法

-化学接枝法通过化学方法在纤维表面引入具有反应活性的活性点，然后再引发单体等在纤维表面聚合实现改性。可以根据需求选择接枝单体或聚合条件，但由于炭纤维表面活性集团分布不均，导致接枝点引发不均，接枝过程及结果不易控制。

-辐射接枝法利用高能射线在聚合物表面接枝单体或低聚物实现表面改性。无需催化剂、引发剂，常温条件即可反应，接枝率易掌控；高能辐射穿透力强，会损坏本体的强度性能，且对设备要求较高。

-等离子体接枝在等离子体处理下，使纤维表面产生活性自由基，引发单体在纤维表面接枝共聚，快速、高效、无污染。

碳纤维表面改性的各种方法中，表面氧化法、表面聚合物接枝法和电聚合法可以提高碳纤维与树脂基体间的界面粘结性能，表面沉积法、偶联剂涂层法和溶胶-凝胶法主要应用于提高碳纤维与金属基体之间的界面性能，可针对基体材料不同选用不同方法或将不同种方法联合使用，获得最佳效果。

增强材料：缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。

树脂基体：树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。

填料：填料种类很多，加入后能改善树脂基体的某些功能

生产工艺：

（1）原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。

（2）预氧化（聚丙烯腈纤维200到300℃）、不融化（沥青200到400℃）或热处理（粘胶纤维240℃），以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。

（3）碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000到1500℃，沥青1500到1700℃，粘胶纤维400到2000℃。

（4）石墨化，聚丙烯腈纤维为2500到3000℃，沥青2500到2800℃，粘胶纤维3000到3200℃。

（5）表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。

（6）上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。