聚丙烯腈基碳纖維生產技術

前言

碳纖維是一種含碳量為90%以上的纖維材料，既具有碳材料固有的特性，又兼具纖維的柔軟性，在航空、航天、汽車、電子、機械、化工、運動器材等領域的應用極其廣泛，是我國重點發(fā)展的戰(zhàn)略型新興材料。碳纖維生產技術是一項多學科、多領域深度交叉的系統(tǒng)工程，涉及化學工程、高分子物理與化學、纖維材料物理與化學等學科，化工、紡織、冶金及機械等領域。因此，碳纖維生產技術的開發(fā)是一項復雜而艱巨的工作。 長期以來，由于國外一直對碳纖維生產技術和裝備實施全面封鎖，致使其成為制約我國航空航天和國民經濟發(fā)展的瓶頸之一。碳纖維的研發(fā)引起了國家領導人的高度關注。中國石油吉林石化公司以國家急需為歷史使命，經過四十年的攻關，在碳纖維工程技術開發(fā)、工業(yè)化裝備設計及提高產品質量均一性等方面取得了重大突破；在大型間歇聚合反應器、多級凝固成型組合系統(tǒng)、PAN紡絲工藝及碳化技術等方面實現(xiàn)了技術創(chuàng)新，其中多項技術和裝備已申報國家發(fā)明專利。自主開發(fā)出工業(yè)化成套技術軟件包，自行設計并建成了百噸級成套工業(yè)化生產裝置，實現(xiàn)了穩(wěn)定生產和供貨，產品通過了國內權威用戶的測試和評價，碳纖維產品質量及復合材料性能全面達到了國際同類產品先進水平。 歷經四十年的研發(fā)、創(chuàng)新與發(fā)展，中國石油吉林石化公司已經實現(xiàn)了碳纖維產品從無到有，裝置規(guī)模實現(xiàn)了從模試化到工業(yè)化的跨越式遞進。雖然已經取得了一定的成績，但是在高性能系列產品開發(fā)方面、在產品及裝置的綜合競爭力等方面與國外先進水平相比仍有較大的差距。中國石油將不負國家的希望和重托，將“以自主創(chuàng)新引領可持續(xù)發(fā)展”，不斷向高端碳纖維產品邁進，盡快實現(xiàn)產業(yè)化、規(guī)模化，為我國經濟社會發(fā)展做出更大的貢獻。在未來的五至十年內，將開發(fā)出T700、T800及MJ等系列碳纖維產品和碳纖維連續(xù)抽油桿、風力發(fā)電葉片等復合材料制品，形成系列化、延伸化、規(guī)?；漠a業(yè)發(fā)展格局，中國石油吉林石化公司必將成為國際一流的碳纖維及復合材料產業(yè)基地。 本書的作者長期從事碳纖維生產技術及裝備的研究開發(fā)，較全面、系統(tǒng)、深入地掌握了碳纖維生產流程各環(huán)節(jié)生產技術及裝備結構。本書從生產實際出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了碳纖維工業(yè)化生產過程的相關內容，可為從事碳纖維生產和研發(fā)工作的廣大科技人員提供一定的借鑒和參考。 中國科學院院士

內容概要

　　本書從生產實際出發(fā)，較全面、系統(tǒng)、深入地介紹了碳纖維生產流程各環(huán)節(jié)的生產技術及裝備結構，內容包括PAN基碳纖維的生產技術、PAN基碳纖維生產中的關鍵設備、DMSO溶劑回收技術、PAN基碳纖維安全生產及廢氣處理技術、PAN基碳纖維生產過程中的分析測試、碳纖維復合材料。本書可為從事碳纖維生產和研發(fā)工作的廣大科技人員提供一定的借鑒和參考。

書籍目錄

"1PAN基碳纖維的生產技術
1.1PAN紡絲液的制備
1.1.1概述
1.1.2硝酸法丙烯腈聚合
1.1.3DMSO法丙烯腈聚合
1.1.4發(fā)展趨勢
1.2PAN原絲的制備
1.2.1濕法紡絲凝固成型過程中的雙擴散
1.2.2硝酸一步法紡絲
1.2.3DMSO一步法紡絲
1.2.4硝酸法和DMSO法紡絲工藝比較
1.2.5發(fā)展趨勢
1.3PAN原絲的預氧化與碳化
1.3.1PAN原絲的預氧化
1.3.2PAN原絲的碳化
1.3.3PAN原絲預氧化及碳化過程中的張力變化
1.3.4碳纖維灰分的產生及控制方法
1.4 碳纖維表面處理
1.4.1陽極電解氧化法
1.4.2陽極電解氧化法的表面處理裝置
1.4.3氣相氧化法
1.4.4氣液雙效處理法
1.4.5發(fā)展趨勢
1.5上膠處理
1.5.1上膠劑的種類
1.5.2上膠工藝
1.5.3上膠處理對碳纖維性能的影響
參考文獻
2PAN基碳纖維生產中的關鍵設備
2.1聚合反應器
2.1.1聚合反應器的型式及特點
2.1.2不同體積釜式反應器的結構
2.2脫單脫泡器
2.2.1脫單脫泡器種類
2.2.2PAN原絲生產中使用的脫單脫泡器
2.3紡絲機
2.3.1紡絲機的組成
2.3.2凝固浴槽的組成
2.3.3凝固浴循環(huán)系統(tǒng)的組成
2.3.4凝固浴的布置形式
2.4水洗機
2.4.1水洗機的組成
2.4.2水洗機的排布方式及特點
2.5保壓蒸汽牽伸箱
2.5.1保壓蒸汽牽伸箱的組成
2.5.2保壓蒸汽牽伸箱的輔助裝置
2.6氧化爐
2.6.1氧化爐的設計原則
2.6.2結構形式
2.6.3防火措施
2.6.4發(fā)展趨勢
2.7碳化爐
2.7.1低溫碳化爐
2.7.2高溫碳化爐
2.8退絲紗架
2.8.1機械式退絲紗架
2.8.2電子式退絲紗架
2.8.3紗架的放紗系統(tǒng)
2.9卷繞機
2.9.1原絲卷繞機
2.9.2碳纖維卷繞機
參考文獻
3DMSO溶劑回收技術
3.1單塔間歇蒸餾
3.1.1流程概述
3.1.2工藝過程
3.2雙塔半連續(xù)精餾
3.2.1流程概述
3.2.2工藝過程
3.3多塔連續(xù)精餾
3.3.1流程概述
3.3.2工藝過程
3.3.3回收DMSO產品的應用評價
參考文獻
4PAN基碳纖維安全生產及廢氣處理技術
4.1碳纖維粉塵的危害及處理方法
4.2丙烯腈聚合廢料及尾氣處理技術
4.2.1固體及膠液廢料的處理
4.2.2聚合單元丙烯腈廢氣的處理
4.3碳化廢氣焚燒技術
4.3.1廢氣的特性
4.3.2處理方法
4.3.3排放標準
參考文獻
5PAN基碳纖維生產過程中的分析測試
5.1原料的分析檢測
5.1.1丙烯腈
5.1.2衣康酸
5.1.3丙烯酸甲酯
5.1.4偶氮二異丁腈
5.1.5二甲基亞砜
5.2中間過程控制分析檢測
5.2.1聚合液黏度
5.2.2聚合液轉化率
5.2.3聚合液殘余單體
5.2.4原絲中殘余二甲基亞砜（DMSO）含量的測定
5.2.5纖度
5.2.6單絲強度、模量、伸長率
5.2.7含油率
5.2.8直徑不均率
5.2.9沸水收縮率
5.3碳纖維產品的分析檢測
5.3.1密度
5.3.2復絲拉伸強度、拉伸模量、斷裂延伸率
5.3.3表面上膠劑含量
5.3.4復合材料層間剪切強度
5.3.5鉤接強力
5.3.6灰分
5.3.7飽和吸水率
5.3.8碳含量
5.3.9堿及堿土金屬離子含量
5.3.10碳纖維的直徑、截面形態(tài)、表面形貌
參考文獻
6碳纖維復合材料
6.1碳纖維復合材料的制備技術
6.1.1碳纖維增強樹脂基復合材料
6.1.2碳/碳復合材料（C/C）
6.1.3其他復合材料
6.2碳纖維復合材料的應用領域
6.2.1國內外碳纖維復合材料的整體需求
6.2.2碳纖維復合材料在三大領域的應用
6.2.3在其他領域中的應用
6.3碳纖維復合材料的回收利用
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   ①丙烯腈脫阻 丙烯腈單體中含有少量阻聚劑，采用閃蒸方法進行脫除。閃蒸釜內的AN加熱后汽化脫阻、冷凝后直接進入計量罐，達到指定體積后停止蒸餾，超出部分溢流返回閃蒸釜。計量罐內丙烯腈供原料配制使用。閃蒸釜殘液內阻聚劑和重組分濃度不斷升高，需要定期排放，送丙烯腈生產裝置回收利用。 ②物料溶解 共聚單體（衣康酸、丙烯酸甲酯）和引發(fā)劑（偶氮二異丁腈）稱重后先后投入溶解槽，使其溶于二甲基亞砜溶液中。其過程為：從DMSO計量槽向溶解槽放入一定量的二甲基亞砜（其用量通常按照物料濃度低于10%計算），開啟攪拌后，加入固體物料并完全溶解。溶解速度一般比較快，溶解溫度應在較低溫度下進行，避免單體自聚、引發(fā)劑分解。 應當注意的是，不同物料均應單獨溶解，避免在聚合反應前發(fā)生反應。此外，為保證溶解效果，一般要在加入聚合釜前2h以上完成溶解。 ③物料計量 由于AN和DMSO的用量較大，可采用體積計量方式進行計量。為了避免溫度差異造成計量誤差（液體物料密度受溫度影響），必須對設備內物料進行恒溫。來自槽車或貯罐的DMSO原料，經過泵輸送進入DMSO貯槽。根據(jù)生產計劃用泵輸送至DMSO計量槽中稱量待用，超出計量范圍的部分溢流返回DMSO貯槽。DMSO計量槽內部設置螺旋浮子，能夠通過改變其浸入液面的體積調節(jié)計量體積。AN直接進入體積恒定的計量罐，超出部分由溢流口返回。 由于共聚單體丙烯酸甲酯（MA，下同）具有毒性和刺激氣味，不宜采用人工稱量，需要用泵輸送至貯槽內低溫貯存。再由泵輸送至專用計量槽中計量待用，超出計量范圍的部分溢流返回貯槽。計量槽形式和使用方法與DMSO計量槽類似，需要低溫水保護，除了保證體積精確外，也能防止物料自聚。 ④混合、輸送、過濾 所有原料加入配制釜進行配制，攪拌混合并使用冷卻水維持內部在常溫以下（避免貯存過程單體自聚），在指定的工藝時間通過其出料泵將其送入聚合液貯槽，在低溫水和氮封保護下貯存，再經由底部的出料泵和質量流量計、調節(jié)閥等控制輸送至聚合釜。

編輯推薦

《聚丙烯腈基碳纖維生產技術》的宗旨是向讀者介紹高性能碳纖維工業(yè)化成套生產技術，也讓大家了解生產出性能優(yōu)異的碳纖維只是碳纖維整個生產流程的一部分，要想實現(xiàn)穩(wěn)定的長周期生產，必須全流程配套完善。可為從事碳纖維生產和研發(fā)工作的廣大科技人員提供一定的借鑒和參考。

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