碳纤维行业深度报告：碳纤维成型工艺及瓶颈探讨—碳纤维制品

1、序言

碳纤维材料(carbonfiber，通称CF)，是一种碳含量在95%之上的高韧性、高韧性化学纤维的新式纺织材料。它是由块状高纯石墨纳米微晶等有机纤维沿化学纤维轴径方位堆积而成，经炭化及石墨化解决而获得的纳米微晶石墨材料。碳纤维材料“外刚内柔”，质量比金属铝轻，但抗压强度却高过钢材，而且具备抗腐蚀、高韧性的特点，在国防军工和民用型层面全是关键原材料。它不但具备碳材料的原有本征特点，又兼具纺织品化学纤维的绵软可工艺性能，是新一代提高化学纤维。碳纤维材料具备很多优质特性，碳纤维材料的轴径抗压强度和应变速率高，相对密度低，非空气氧化自然环境下耐高温高压，耐疲惫性好，定压比热及导电率接近非金属材料和金属材料中间，线膨胀系数小且具备各种各样，耐蚀性好，X射线通过性好。碳纤维材料与传统式的玻纤对比，杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维对比，杨氏模量是其2倍上下，在溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐腐蚀性突显。

碳纤维材料因为其特性、形状、生产制造方式、起止原材料的差别，因而碳纤维材料不但有工业化生产的商品，也是有尚处在试验环节，及其尚难以预料其市场前景的类型，商品范畴十分普遍，一切一种商品在不一样生产制造环节与运用环节的科研开发都会不断的发展之中。文中关键详细介绍销售市场上普遍的碳纤维材料以及有关生产工艺，试验室中的归类型号规格在这里不做探讨。而且文中仅对中国碳纤维材料生产工艺以及有关发展趋势状况开展分析，相关世界各国碳纤维材料的发展趋势历史时间、全世界碳纤维材料销售市场布局，中国碳纤维材料公司的整体实力与营运能力等信息内容，烦请参照碳纤维材料领域投资建议汇报之一：《下游应用领域广阔，国内增长空间巨大》（公布于2020/02/17，全篇28页）。

2、碳纤维材料归类介绍

2.1以原材料管理体系归类

碳纤维材料关键分成黏胶基、沥清基和聚噻吩（PAN）基三大类型，各不相同的应用情景和生产制造方式。在其中沥清基碳纤维材料碳成品率大，能够做到80-90，可是在具体生产制造中，为了更好地从沥清中得到 高品质、性能卓越的碳纤维材料，务必要对沥清产品精修特制、调配。此全过程会大大增加产品成本，即便 沥清原材料来源于丰富多彩，质优价廉，也无法运用于大批工业生产运用生产制造。而PAN基碳纤维材料综合型能好是、生产工艺流程完善简易、运用最广、生产量大、种类数最多，是现阶段全世界碳纤维材料销售市场的流行碳纤维材料商品，生产量占全世界碳纤维材料总产值的90%之上。

2.2以产品形态归类

销售市场上普遍的碳纤维材料商品全是绕着纸筒打卷起來的持续皮质脊髓束，皮质脊髓束中包括1000到数十万根直徑为5-8μm、横断面为环形或椭圆型的碳纤维材料细条。现阶段碳纤维材料的基础形状有持续长化学纤维和短切化学纤维（长短为1-100毫米的碳纤维材料）二种，在具体应用中，依据生产加工方式和最后产品的样子等，能够分成各种各样不一样的形状。即根据对持续长化学纤维和短切化学纤维产品精修各种各样生产加工，进而得到 纺织物、纺织物、纸、毡等形状。

2.3依照物理性能归类

碳纤维材料的物理性能会依据实际的型号规格、等级的差别而在一个很宽的范畴内变化。在其中最重要的好多个性能参数为抗拉强度，弹性模具和相对密度。碳纤维材料的抗拉强度越高，则表明化学纤维中心线能够承担的荷载就越高，原材料抗压强度越大；弹性模具越大，表明化学纤维在一定的荷载下的形变量越小，即化学纤维的刚度越好；相对密度越小，同容积的化学纤维净重则越低，有关高分子材料的减脂实际效果就越高。依据碳纤维材料物理性能的差别，在我国已于2011年11月13日施行了《聚丙烯腈（PAN）基碳纤维国家标准（GB/T26752-2011）》，将碳纤维材料分成高强度，高强度中模，高模与高强度高模四种，因为日本东丽在全世界碳纤维材料领域具备肯定领跑优点，中国在一些有关汇报中也会应用日本东丽的T系列产品与M系列产品规范开展归类.

2.4依照丝束尺寸归类

碳纤维材料的有关标准规范中，K表明碳纤维材料拉丝的总数，如1K意味着一束化学纤维丝里包括了1000根拉丝。一般而言，1K、3K、6K、12K和24K的被称作小丝束；48K、60K、80K、120K及之上的则称之为大丝束。小丝束的商品是碳纤维材料的标准物质，原是碳纤维材料高分子材料制成品开发设计的基础素材图片。小丝束碳纤维材料在加工工艺操纵上规定更严苛，炭化等机器设备工程造价高，关键运用于国防军工等新科技行业，及其文体用品，如飞机场、巡航导弹、火箭弹、通讯卫星和钓具、高尔夫球具、羽毛球拍等。大丝束碳纤维材料成本费相对性较低，具备高些的性价比高，但是在商品的开发设计前期，存有着特性无法提升 、生产过程实际操作艰难等难题。现阶段关键运用于医疗机械、机电工程、土木工程、道路运输和电力能源等工业生产行业。

3、PAN基碳纤维材料的制做生产流程剖析

大家以现阶段销售市场流行的丙烯腈（PAN）基碳纤维材料全产业链为例子，详细碳纤维材料全产业链包括上下游的石油化工产业，中上游的短纤维生产加工、碳纤维材料有关物质及其碳纤维材料高分子材料生产制造、关键机械设备制造及其中下游的应用商店构成。PAN基碳纤维材料的制取步骤从PAN短纤维制逐渐，根据丙烯腈（AN）单个汇聚再根据湿式或湿区法纺纱制取PAN短纤维；历经预空气氧化（200～300℃）、炭化（1000～1500℃）、石墨化（2500～3000℃）的全过程，使线形的聚噻吩高分子材料造成空气氧化、热裂解、化学交联、环化等一系列化学变化并去除氢、氮、氧等分子产生高纯石墨态的碳纤维材料；再根据液相或高效液相空气氧化等金属表面处理授予化学纤维有机化学特异性，释放退浆剂开展退浆解决来维护化学纤维并进一步提高与环氧树脂的亲和性；最终放卷包裝产生碳纤维材料单边带，或再根据定编产生碳纤维材料纺织物輸出向中下游市场销售.

3.1PAN短纤维的生产制造加工工艺

碳纤维材料产业链的产品研发前期，关键商品为一般锦纶碳纤维材料，可是这类加工工艺难以获得高结构力学性的碳纤维材料商品，仅有应用专业历经提升的PAN化学纤维，才可以提升 碳纤维材料的特性。这类为了更好地得到 性能卓越碳纤维材料而专业提升后的PAN化学纤维，就被称作短纤维。PAN短纤维是生产制造碳纤维材料的原料，短纤维的特性能够在非常大水平上决策碳纤维材料的特性，换句话说，假如要想得到 特性优质的碳纤维材料，务必先有特性优质的PAN短纤维。PAN短纤维的特性，从实质上而言关键在于在其中的PAN分子结构的构造和排序方式。在其中PAN分子式的操纵关键集中化在汇聚加工工艺，而PAN分子结构的排序方式则关键在纺纱加工工艺中产生。

3.1.1汇聚加工工艺

用以制取碳纤维材料的PAN高聚物务必历经独特的可靠性设计，在其中重要的是汇聚加工工艺的设计方案，由于这将立即危害到短纤维中PAN分子结构的构造。丙烯腈汇聚归属于氧自由基加成反应是一个放热反应全过程。丙烯腈单个每一次加成聚合都必须开启一个C=C烃基，另外形成2个σ单键，进而释放发热量。且获得的PAN化学纤维中PAN分子结构链整齐度不错、晶粒大小较高，但化学纤维欠缺软性，不利事后工艺流程开展。此外，PAN均聚物的预空气氧化原始溫度较高，因为在预空气氧化原始环节会造成化学反应，集中化放热反应会造成 短纤维中PAN分子结构链的开裂，并产生孔眼缺点构造，危害生产工艺流程可靠性和碳纤维材料品质，是制做的难题之一。因而在具体加工过程中，一般将丙烯腈与一些共聚物单个开展共聚物，可合理地操纵预空气氧化全过程中的化学反应，在事后流程中得到 品质高些的碳纤维材料。衣康酸（IA）、丙烯酸甲酯（AA）、乙酸乙烯酯（MAA）等是常见的共聚物单个，这种共聚物单个可调整纺纱水溶液的可纺性。并改进凝结浴中的相分离全过程。得到 构造比较高密度的PAN短纤维。除此之外，在预空气氧化时可引起分子结构内环化功效，使环化反映由氧自由基型转换为无机化合物，并提升短纤维的氧透水性，有益于预空气氧化全过程加工工艺操纵。

丙烯酸树脂中性化共聚物单个具备增塑作用，提升 PAN的溶解度并改进水溶液的触变性能，使其具有可纺性，另外改进预空气氧化全过程中co2向短纤维中的渗入。而衣康酸等含羧基官能团共聚物单个的存有能够改进PAN短纤维凝结全过程中凝结物质向化学纤维內部的透水性——碳纤维制品