聚丙烯腈纤维范文
时间：2023-03-24 17:28:06
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篇1
关键词：PAN碳纤维 复合材料 应用
The Current Status and Development Trend of PAN Carbon Fiber
Zhao Xiao-li ,Wang Li-juan
Xi’an Carbon Materials Company Limited, Xi’an, Shaanxi 710025, P. R. China
Abstract: The research current status and development trend of PAN carbon fiber in home and abroad were introduced mainly.
KeyWords: PAN carbon fiber, the research current status and development trend
PAN碳纤维是一种新型非金属材料。它一般不单独使用。多作为增强材料加入树脂、金属、陶瓷，混凝土等材料中构成复合材料。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能。既可以作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此，近年来碳纤维的应用发展十分迅速，在航空、航天、汽车、风力发电、建筑、电子、体育运动器材等领域得到了广泛的应用[1-2]。
一、发展现状
1.国外发展现状
1959年聚丙烯腈碳纤维首先由日本的进腾昭南研制成功，1963年英国皇家航空研究中心在纤维处理过程中施加张力进行牵伸，制得高性能碳纤维。1967年日本东丽公司结合英美的技术，于1971年建成12t/a的生产线，20世纪80年代，碳纤维生产工艺不断改进，性能得到了迅速提高，30多年来，东丽公司开发出了系列碳纤维，如高强型碳纤维T300、T400、T700、T800、T1000；高模量石墨纤维M40；高强高模型碳纤维M40J、M50J等，代表了国际领先水平。目前实验室已经能够制得9.03GPa的碳纤维，但是距碳纤维的理论强度180GPa还有很大的差距。
世界上聚丙烯腈碳纤维的生产，目前已经分化为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束两大类[3]。日本东丽Toray、东邦Toho、三菱人丝Mitsubishi、德国SGL、美国Hexcel、Cytec和Zoltek是世界七大碳纤维制造商。表1为碳纤维生产商按丝束分类及产能列表[4]，从表1中可见，小丝束与大丝束产能比大约为 3:1。
如表1所示，国际上六大碳纤维生产厂家虽然采用不同的工艺路线，但都可生产出相当于日本东丽T700/T800的碳纤维。尤其是Hercules公司采用硫氰酸钠(NaSCN)为溶剂,可生产出中模高强型碳纤维IM7、IM8等，大量应用于美国的军事工业。这说明工艺路线并不是碳纤维质量的决定性因素，也不是碳纤维落后的主要原因。
碳纤维的生产销售占全球碳纤维市场总和的78%，垄断并左右着全球市场，占据小丝束碳纤维产业界霸主的地位。表3东丽公司碳纤维产品及性能列表。
日本是小丝束碳纤维生产大家，并于1980年末期扩展至法国、美国、德国、英国等，合作建立子公司。美国的两大碳纤维公司Cytec和Hexcel，于1980年中后期通过和日本进行技术交流和合资，建立了千吨级碳纤维生产线。目前，军工用小丝束碳纤维90%都由日美两国掌握，全面限制对中国的出口。
2008年全球碳纤维的需求量为3.5万吨，预计到2012年全球碳纤维的需求量将为5.65万吨，专家预测世界碳纤维产量以每年7.7%左右的速度增长，但碳纤维消费的增长更快，达10.2%。因此，在2012年前，国际碳纤维仍是供不应求的局面。表4 2007-2010年全球PAN基碳纤维的生产商及产能预测。
2.国内发展现状
我国于1962年开始研究PAN基碳纤维，几乎与日本同步。1962年4月中国科学院长春应化所李仍元研究员和沈阳金属所张名大研究员开始协作碳纤维研制，金属所以粘胶丝为原丝，长春应化所以PAN为原丝，1966年起吉林化学工业公司合成树脂厂也加入了PAN基原丝的研制。1975年11月，由原国家计委和国防科委在北京联合召开了我国
第一次碳纤维会议，简称“7511”会议，会议目的是研究解决导弹、火箭、飞机、卫星等急需的防热材料和结构材料，首先要解决XXXX型号头部急需的防热材料。“7511”会议制定了我国碳纤维及其复合材料10年发展规划，在国产碳纤维的发展上具有历程碑的意义。
篇2
1.概述
碳纤维中90%的缺陷由PAN纤维遗传而来，因此提高原丝质量，减少其缺陷是获得高性能碳纤维的前提。纺丝过程的源头即聚丙烯腈初生纤维的缺陷，在喷丝的过程中，喷丝部件尤其重要，喷丝部件是安装在纤维纺丝部位的重要精密零件，是纺丝成型的基本元件，其好坏直接影响到劳动生产率、丝条质量和成本等经济指标。在工程中，喷丝部件指的是喷丝管线和喷丝头，其中喷丝头包括链接卡扣，上、下卡箍、保温套、分配板、喷丝板等部分。其中喷丝板的清理最为困难。在聚丙烯腈纤维纺丝过程中，由于喷丝板孔径在0.10- 0.30mm的范围，在聚合和形成初生纤维的过程中，由于条件的改变，纺丝原液聚合物团聚形成凝胶，凝胶聚集越来愈多，会对喷丝板造成堵塞，严重影响了初生纤维的生成，造成纤维的力学缺陷，因此无法纺出合格的碳纤维原丝。此时，就势必要换喷丝头，并对换下来的喷丝头进行清洗。
正确的清洁过程对于喷丝扳是最重要的。首先要考虑清洁过程的清洁能力，要保证使用的任何化学药剂必须同聚合物杂质种类、清洁设备的构成和喷丝部件材料有相容性。如果喷丝板没有得到彻底的清洁，更换周期将变短，更换频率加大，从而操作成本增加。
常用的喷丝部件的清洗方法包括：盐浴法、真空热解法、流化床炉法、溶剂浴法、烘箱法[1]和超声震荡法。其中真空热解法、流化床炉法、烘箱法的都是利用高温对聚合物进行高温碳化，碳化杂质便于清洗。但这些方法耗能高，环境的温度很高.操作的条件通常不很舒适。这种恶劣的工作环境往住造成操作人员的懈怠和不安全。 盐浴法和溶剂浴法基于对聚合物的溶解，通过溶剂的化学作用和高温环境来溶解高聚物，这两种方法具有一定腐蚀性，对清洗设备要求比较高。超声震荡法的原理是声波是压力波，通过洗浴池移动，感应引起气穴现象，在被清洗物的表面产生一个洗擦效应，规则地释放100MPa的压力给被洗物[2]，以松弛和提起被洗物难以接触到的表面的灰尘及异物，起到擦洗作用，达到彻底清洗的目的。
喷丝孔的形状直接决定了纤维的形状，直径与长度是关键的参数，所以必须经常检测和维护保持其最好的状态。尽管现在已经有了先进的仪器通过对喷丝孔表面扫描就能获取喷丝孔直径与长度的实时数据，再将这些实时数据与出厂数据相比得出喷丝孔的状态是否一致。但是由于工厂的预算和规模，对于引进这些先进的监控仪器的计划始终排列在生产设备更新之后，现在大部分工厂和实验室仍旧采用显微镜的手工比较法，这种方法虽然主观性强，但当喷丝头数量不多，工作量不大的情况下，至少能保证喷丝孔达到要求的清洁度。
2.聚丙烯腈纤维喷丝部件的清洗与检验方法
2.1利用溶剂浴法清洗喷丝板的方法
当聚丙烯纤维间歇性喷丝结束后，由于停纺操作，管道内原液压力减小，大量的聚合原液堆积在喷丝板之间，当发生拆卸时，原液与空气接触，大量溶剂向空气中扩散，原液表面形成皮层。与此同时，聚合原液中含有浓度超过80%的DMSO，DMSO能大量快速的吸收空气中的水，水亦是原液凝固的非溶剂成分，这更加加快了聚合原液的皮层生产，和在表面形成网络化凝胶。当放置时间足够长，皮层随着时间推移变得厚并且坚硬，对喷丝孔造成阻塞，对下次使用造成不便。
当间歇式纺丝完成后，拆卸喷丝部件，将丝板组件完全浸泡在100%的DMSO中，迅速清理凝聚在丝般组件的聚合原液，将80%左右的聚合原液通过浸泡和清理进入浸泡的DMSO。对于阻塞与喷丝孔和分配板孔中纺丝原液，先用一定压力的DMSO液流冲洗空隙，对于孔径较大的分配板而言，该方法可以冲洗出阻塞于分配板空隙中大约90%的纺丝原液，然后对与孔径细小的喷丝孔，此方法效果并不明显。之后，对于孔径较大的分配板，用脱脂棉蘸取DMSO对每一个孔进行擦洗。对于孔径细小的喷丝孔，则需要采取预浸泡的做法。将喷丝板浸泡在100%的DMSO中，喷丝面向上，加热浸泡液，使DMSO温度维持在120摄氏度大约4个小时后，降温到常温后，更换浸泡液并将丝板放入超声装置40KHZ超声30分钟1小时，配置10%碱液（v/v）的浸泡液再次以同样的功率在常温下超声0.5小时。超声完毕后，取出喷丝部件，用流动的清水对喷丝部件进行冲洗，防止碱液对部件的腐蚀。随后，再以去离子水为浸泡液在60～C下，以40KHz超声0.3小时，以达到漂洗的目的。
2.2利用光学显微镜检查喷丝板清洗效果的方法
喷丝板是否清洗干净，可以通过暗场显微镜检测，也可以通过肉眼观察，即将组件面对阳光，肉眼观察每个丝孔的透光度和轮廓。清洗干净的喷丝孔边缘尖锐透光性好，未清洗干净的喷丝孔边缘模糊不规则，透光性差。如果喷丝板没有清洗干净，可重复超声的操作。
按照以上方法，喷丝板孔边缘清晰尖锐，其他组件上无聚合原液残留，完全可以运用于下一次纺丝中。
3.小结
本文利用超声波法对凝胶堵塞丝孔的喷丝部件进行了清洗，并进行检验。摸索出了预浸泡：在120℃下，利用DMSO溶剂进行浸泡；超声波清洗：以DMSO溶液为浸泡液，在30℃下以40KHz超声0.5-1小时，再以10%的碱液（v/v）再次超声半个小时；漂洗：流水冲洗后，在去离子水中，在60℃下，以40KHz超声0.3小时的清洗方法。该方法快捷、简单、无污染。
利用光学显微镜，采用随机取样多次平均的方法对喷丝板情况进行抽样检查，检验清洗效果。该统计方法简单实用，对于生产中减少运行成本、提高工作效率有积极的意义。
4.参考文献
[1]项玉珍.喷丝板清洗及其检验的重要性[J].辽中纺织科技，2.1994.44 46
篇3
关键词：腈纶生产 湿法纺丝 生产设备
一、腈纶简介
腈纶，是聚丙烯腈纤维（Polyacry-lonitrile or acrylic）在我国的商品名，可以纯纺，也可与羊毛或其他纤维混纺。除此之外，腈纶及改性腈纶还以其独特的优势作为高科技产品在工程领域得到应用。
腈纶的制造原理和方法基本上可概括为四个过程：高分子物的合成、纺丝熔体或纺丝溶液的制备、纤维的纺制、纤维的后加工。下面我们主要介绍腈纶的溶液纺丝中的湿法。
二、腈纶的生产工艺
（一）主要原料
生产腈纶的主要原料有：第一单体丙烯腈（AN）、第二单体丙烯酸甲酯（MA）、第三单体衣康酸（MSA）、溶剂硫氰酸钠、引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）、浅色剂二氧化硫脲（TUD）、分子量调节剂异丙醇（IPA）。
（二）聚合工艺流程概述
整个聚合工艺过程主要分三部分：反应混合液的配制、聚合和脱单体、原液处理。
为了获得组成和性能稳定的纺丝溶液，在聚合之前必须对化工原料进行正确计量和均匀混合。生产上利用溶剂硫氰酸钠匀温三种反应单体后，经计量，这三种单体及溶剂就可连续进入混合液调配槽。分子量调节剂异丙醇须在混合液调配槽的出口处连续加入，和混合液一起进入试剂混合槽。
混含液由泵经进料温度控制器将料液温度调节好后，从聚合釜底部进料进行聚合；聚合反应完成后，聚合液从聚合釜上部出料，经过脱单体塔脱除未反应的单体；脱除单体后的聚合液进入原液混合贮槽进行混合均匀。最后在脱泡塔内进行脱泡、通过原液冷却器调温、压滤机过滤，滤出原液中混入的机械杂质和胶块；过滤后的清净而无气泡的原液就可送去纺丝。
（三）纺丝工艺流程
经处理合格的聚丙烯腈纺丝原液，由计量泵定量地供给烛形过滤器再次过滤，经喷丝头压入凝固浴槽中凝固成形；凝固浴为9～14%硫氰酸钠水溶液，浴温10℃左右；在凝固浴槽中，纤维的运行方向与硫氰酸钠溶液流动的方向一致（顺流）。
成形后的聚丙烯腈纤维，经卷取辊引入预热浴槽，进行预热拉伸。预热浴为3～4%的硫氰酸钠水溶液，浴温60～65℃（纤维在预热浴中被拉伸1.5倍）。
经预热浴处理后的聚丙烯腈丝束引入水洗槽进行水洗，洗掉纤维上的硫氰酸钠。水洗槽中的热水温度为50～65℃。水洗后丝束在拉伸浴槽中进行拉伸，拉伸浴的水温为95～98℃（两次拉伸总的倍数要求为8～10倍）。
拉伸后的聚丙烯腈纤维需经第一次上油处理，然后进入干燥机中进行干燥致密化。干燥后的纤维经卷曲机卷曲，再进入汽蒸锅进行蒸汽热定型，丝束接着进行第二次上油，经干燥机进行第二次干燥，最后经切断、打包后出厂。
（四）纤维的后处理
经过成形、拉伸的聚丙烯腈纤维还要进一步经过水洗、上油、干燥、抗静电处理、卷曲、定型、切断等后处理工序进行处理，使纤维的性能更趋于完善。
为了减少摩擦力和静电效应，纤维在水洗和干燥后分别要经上油处理，分别施加柔软剂和抗静电剂，使纤维具有柔软和平滑的手感，改善弹性，提高抗静电效果，并在一定程度上增加纤维之间的抱合力，使纤维在后加工过程中能顺利进行。
在成形过程中得到的初生纤维经过拉伸后，必须经干燥致密化和热定型，消除其内应力和缺陷，从而固定卷曲度，并提高尺寸稳定性；同时提高纤维纺织加工的可纺性及物理-机械性能；还可消除在纺丝凝固过程中发生的为数众多、大小不等的空洞及裂隙结构，即所谓消除失透现象，一步提高聚丙烯腈纤维的染色均匀性。
（五）溶剂的回收和处理
此过程包括溶剂的回收、净化和蒸发，从而使溶剂在经过蒸发浓缩后，最终将硫酸根、铁离子、有机杂质等等去除。
湿法纺丝的工艺过程中，溶剂硫氰酸钠是循环使用的。聚合液中的溶剂绝大部分在纤维成形过程中扩散进入凝固浴中，需经一系列回收和净化处理后，将洁净的硫氰酸钠再送至聚合工段供配料使用。
（六）含氰（腈）废水的处理
腈纶生产装置会产生一定量的含氰（腈）废水，这种废水属剧毒类；它可以抑制细胞呼吸，造成人体机体组织缺氧，形成内窒息而死亡，因此废水不能随意排放，需经过治理后才允许排放。
三、腈纶的生产设备
腈纶生产的主要生产设备有：第三单体贮槽、丙烯腈高位槽、丙烯酸甲酯高位槽、反应器淤浆容器、恒温槽、反应器、第一单体脱除器、原液预热器、第二单体脱除器、原液混合器、原液混合槽、连续脱泡桶、连续脱泡桶、液封槽、消光剂浆料槽、原液多层混合器、水洗机、柔软机、圆网烘燥机、丝束定型机、丝束输送机、后干燥机、短纤维打包机、摆丝机、纺丝机蒸汽加料槽、蒸发器加料预热器、二效蒸发器、粗溶剂贮槽、硫酸钡过滤器、溶剂层滤器、除铁加料槽、净化溶剂输送桶、溶剂贮存桶、恒温槽萃取塔等等。
四、腈纶生产的数据测算
以年产8000t腈纶的生产为例，假设每年生产8000h，其它时间安排检修，则每小时生产腈纶1t，日产为24t；则原液产量为7692Kg/h，进料量为7454L/h，反应时间为2h（二台釜）。
腈纶生产的主要化工料及单耗如下。
名称 单耗（Kg/t成品） 名称 单耗（Kg/t成品）
丙烯腈纯度（≥99.5%） 979 硫氰酸钠（68～70%） 65
丙烯酸甲酯纯度（≥99%） 64.5 二氧化硫脲纯度（≥95%）13
衣康酸 85.3 偶氮二异丁腈 5
异丙醇 18
参考文献
篇4
[关键词]碳纤维 现状 发展趋势
中图分类号：R220 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0181-01
一、碳纤维简介和碳纤维的用途
碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质。是其他主要结构材料、金属及其合金所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽性等。
作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、电子、 机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。
二、我国碳纤维发展历史
我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有近50年的历史，但进展缓慢，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济社会发展进程极不相称。所以，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。
三、碳纤维生产方法
目前，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。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，成本较高，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，而且产品的力学性能优良，用途广泛，因而自20世纪60年代问世以来，取得了长足的发展，成为当今碳纤维工业生产的主流。
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。
根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航级（aerospace-grade）和工业级（commercial-grade）两类，亦称为小丝束（small-strand tow或small tow ）和大丝束（large-strand tow或 large tow） 通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维.包括48K、60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主。逐渐发展为14K和21K主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。
四、我国聚丙烯腈基碳纤维发展现况
我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近50年的漫长历程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封锁，制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。 20世纪70年代初突破连续化工艺。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。面对国外在技术、设备、品种和性能等方面激烈竞争，迅速发展的局面。我国碳纤维生产处于起步阶段，与国外相比有很大差距。无论产量、质量均不能满足市场发展需求。目前制约我国碳纤维发展的首要原因是原丝质量不过关，其它原因还有生产技术及设备等。
五、我国碳纤维消费情况与需求
尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛。主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅速。国内碳纤维应用的主要领域有如下：
航空、航天及国防领域、飞机、卫星、火箭、导弹、雷达、体育休闲品、高尔夫
球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等新兴市场碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强等。
国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需求，需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。
六、发展趋势
碳纤维属高新技术，高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，有广泛的用途和良好的发展前景，随着我国经济的持续快速发展碳纤维的市场需求与日俱增发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此，针对当前现状，必须加快我国碳纤维发展进程。
篇5
论文摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。
一、碳纤维的性能
1.1分类
根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。
1.2性能
碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。
1.3应用领域
由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。
二、生产工艺
通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。
2.1干喷湿纺法
干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。
干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引出的丝条经后处理得到PAN纤维。
离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段)再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响，在空气层，挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，表面形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度；由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴；凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散；低温可抑制扩散速度，利于沉淀结构致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。
与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。
2.2射频法
PAN原丝经过预氧化(200～350。C，射频负压软等离子法)、碳化(800～1200。C，微波加热法)到石墨化(2400～2600。C，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。
国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。
三、碳纤维的发展
3.1国外发展
以PAN碳纤维为例，该纤维国际上研发已有30年左右，目前世界碳纤维的生产能力在3.4～3.8万吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽、东邦以及三菱人造丝公司）依靠其先进的纺丝科学技术，形成了高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上都处于世界前三位，三大集团占据了世界75%以上的产量。
3.2国内发展
我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代，当时由于碳纤维作为重要的军工产品，国外对我国进行严格技术封锁，使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。1976年中科院山西煤化所建成第一条聚丙烯腈基碳纤维中试生产线，生产出高强I型碳纤维，其产品性能基本达到日本东丽公司的T200。继而从“六五”开始试制高强Ⅱ型碳纤维(相当于T300)，但到目前为止产品性能指标仍未达到T300标准。吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上，研究开发出性能基本接近T300的碳纤维，但该法对环境污染较大，因而现已放弃。由于种种原因我国碳纤维发展缓慢，表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。
近些年来，随着我国整体实力的不断提升，对碳纤维的需求量也与日俱增，而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口，2004年全国碳纤维用量为4000吨，国内实际产量仅为1O多吨，而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。另据估测2009年我国碳纤维需求将达到7500吨，这表明我国碳纤维严重供不应求。尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动，通用级碳纤维进口渠道已经开通，但高性能碳纤维对我国依然限制。
近年来，由于我国对碳纤维需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点，如上海石化公司准备采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝。上海星楼实业有限公司拟建立400吨/年大丝束碳纤维生产线，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维，上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。安徽华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)建立500吨/年PAN原丝和200吨/年碳纤维生产线，其PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进，产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。广西桂林市化纤总厂拟建200吨/年碳纤维生产线，产品为3-12K的小丝束碳纤维。山东天泰碳纤维有限责任公司将建立400吨/年生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K为主。青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)将建立50吨/年左右的碳纤维生产线。江苏扬州与中国科学院山西煤炭研究所也计划合作建立高性能聚丙烯腈原丝和碳纤维的生产中试基地。吉林石化公司放弃了以前采用硝酸一步法生产原丝的技术，与北京化工大学合作承担了国家“九五”科技攻关项目，共同研究开发二甲基亚砜法高性能聚丙烯腈原丝生产技术，并将充分依靠自己的技术建立500吨/年原丝和200吨/年碳纤维生产线。兰化集团化纤厂已有100吨/年原丝生产线和预氧化生产装置，计划配套碳化装置生产碳纤维，原丝采用NaSCN一步法，该厂的腈纶生产线是我国从国外最早引进的，有丰富的生产经验和技术积累。吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。大连兴科碳纤维有限公司已建成380吨/年生产线，是目前我国唯一实现碳纤维产业化的企业，位居大陆首位，并在世界排名第十一，据专家评价该公司实际拥有年产量800吨的生产能力，产品各项技术指标已经达到国外同类产品先进水平。
3.3存在问题和差距
一是国内PAN碳纤维总生产能力较小，实际生产量仅30～40吨/年，远远不能满足国内的需要（约5000～6000吨），目前我国95%的碳纤维依靠进口；二是与国际先进水平相比，国产碳纤维强度低（仅相当于东丽公司已基本决定淘汰的T300水平），均匀性、稳定性差（强度、模量、线密度的CV值均为国外产品的一倍以上），毛丝多（断头率为国外产品的6倍），品种单一且价格昂贵（为国外产品的1.5～3倍），发展水平总体落后发到国家近20～30年；三是厂家、装置规模小，技术设备落后，经济效益差。
四、产业分析
4.1世界碳纤维市场
4.1.1世界碳纤维扩产加速
2003年以前碳纤维基本供大于求，属于买方市场，当时工业用普通模量级12K碳纤维价格仅12美元/公斤，但到了2004年形势突变，碳纤维一下子由买方市场变为卖方市场，价格一路攀升，2005年翻了好几倍，2006年更是处于有价无市的情况，这给碳纤维厂家带来了难得的发展机遇。从2004年开始全球碳纤维厂家兴起了一轮扩产热潮。
日本东丽集团公司
2004年4月陆续开始了一系列扩产项目，见表5。
2004年4月12日宣布日本Ehime扩产2200吨/年，2007年1月开始运转。
2004年4月14日宣布法国Soficar扩产800吨/年，2007年10月开始运转。
2004年4月26日宣布美国CFA扩产1800吨/年，2006年初开始生产。
2008年还将分别在日本和美国各扩产1800吨/年。
2008年东丽公司碳纤维产能将达到17500吨/年，差不多是2005的两倍。计划到2010年，东丽公司全球碳纤维市场的占有率要从2004年的34%提高到40%。2005年东丽还和波音公司协议，今后17年内东丽将提供29亿美元的碳纤维(主要是T700)给波音公司，用于B-787的生产。
日本帝人东邦集团公司
东邦集团紧随其后，从2004年8月开始进行了一系列收购和扩产计划：
2004年8月31日宣布收购美国Fortfil全部3500吨/年大丝束碳纤维生产线，将其改造成700吨/年小丝束，1700吨/年预氧化纤维，保留1300吨/年大丝束碳纤维。2006年4月15日东邦决定在日本Mishima投资大约1亿美元(10.7billionyen)，扩大碳纤维生产能力2700吨/年，到2008年4月完成。
2008年东邦集团碳纤维产能11800吨/年，其中小丝束10500吨/年。大丝束1300吨/年。总产能仍居世界第二，见表6。
日本三菱人造丝集团公司
日本三菱集团也加快了扩产步伐，从2005年到2007年，3年内碳纤维产能将增加72%，接近或赶上东邦的产能，见表7。
2005年4月，宣布增加日本生产线产能2200吨/年；2007～2008年完成。
2005年l0月，宣布三菱和SGL结成碳纤维联盟，三菱提供技术和原丝，在SGL苏格兰生产线生产碳纤维，2006年二季度开始生产，三菱的回报是500～700吨/年碳纤维。
2005年底计划完成美国Grafil扩产500吨/年的任务。
2008年三菱集团碳纤维产能将达到7900～81O0吨/年。由于三菱碳纤维此前尚未取得适航认可，只能用于工业和体育休闲用品，公司努力争取2005年取得AirbusA380认可，使其碳纤维在宇航工业得到应用。
表
此外，中国台塑集团2005年5月24日宣布扩大碳纤维产能，从1850吨/年增加到2950吨/年，2006年12月完成。
美国Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙马德里附近建碳纤维厂，另外美国犹塔工厂也增加碳纤维生产线，产能增加大约50%，即从2270吨/年增加到3300吨/年，2006～2007年完成。目标很明确，针对A380、A350和B787对碳纤维的大量需求。
Zoltek公司2006年1月3日报告，希望碳纤维产能从2006年的4080吨/年增加到2007年8620吨/年。从2004年l2月l6日开始和世界最大的风能厂家Vistas等协议，为他们提供风电叶片用大丝束碳纤维。
美国Cytec公司准备耗资超过l0亿美元建立新的碳纤维生产线，目前在选址和设计选择，计划2009年开始工作。
4.1.2碳纤维供需状况将趋于缓和
根据表9和图1、图2对碳纤维产能和需求的预测分析可以看出，2005年全球碳纤维供小于求，按ChrisRed的预测缺口约2000吨，Toray预测缺口近3000吨，中国台塑预测缺口也有约1000吨，这就是2005年碳纤维紧张的说明。2006年虽然碳纤维厂家纷纷扩产，其供应量应较需求量大，但是扩产部分要到2006年底或2007年初才能上市供应，且超过部分有限，仍不能满足用户要求。因此2006年碳纤维供应仍然紧张。2007年以后全球碳纤维产量将明显增加，扩量部分陆续上市，供应量显著超过需求量，供需矛盾得到缓解，紧张状况将会所改变。
4.2中国碳纤维市场
（1）需求增长快。我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口，2004年全国碳纤维用量为4000吨，2005年用量约5000吨，年增长率在20%以上，到2009年将达到7500吨/年，而国内现有产量仅约40吨左右，无论质量和规模与国外相比差距都很大。
（2）产能瓶颈明显。我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外，绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。安徽华皖碳纤维有限公司目前已经顺利完成200吨碳纤维及500吨碳纤维原丝的生产装置的安装，2007年还计划开工建设800吨碳纤维及1800吨碳纤维原丝二期项目。
（3）生产效益大。如果按丙烯腈1.3万元/吨的销售价格计算，大体可以测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本，分别为4.4万元/吨、18万元/吨。一般情况下，军工级碳纤维（3～6K）的售价在200万元/吨左右，民用碳纤维（12K）售价为55万元/吨，可见碳纤维的盈利空间还是非常可观的。
五、发展对策和措施
近年来，中国复合材料产业有了很大的进步，已成为碳纤维复合材料应用大国。但是我国大陆碳纤维长期依赖进口，受治于人，面对当前严峻的形势，必须采取行之有效的措施。
（1）坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。碳纤维是军需战略物资，是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料，不可能也不应该长期依赖进口。15年前美国国防部就下决心民用碳纤维可以从国外进口，国防工业所需的碳纤维必须国内自行生产。中国更不能长期从国外进口国防工业所需要的碳纤维。德国、法国虽然也生产碳纤维，但是碳纤维的核心原丝技术牢牢掌握在日本人手中，至今德国和法国得不到PAN原丝技术。因此中国不可能引进国外先进的碳纤维制造技术，只能自力更生，依靠自己，别无出路。
（2）坚持应用中改进提高是碳纤维发展的科学规律。
篇6
本文对锦纶/氨纶混纺产品的含量分析方法进行了探讨，总结了检测中的最佳应用方案。
关键词：锦纶；氨纶；含量分析
1引言
锦纶/氨纶弹力织物一直受到人们的青睐，由于这类产品具有较高的弹性和优异的回弹性能、手感柔软、穿着舒服、能显露出形体美，加上易吸汗、不产生静电的特点，该类织物已广泛应用于内衣到外衣等需要拉伸的服装，如专业运动服、健身服、休闲装、文胸、袜子类等服装。从针织物到机织物，从服装用布到装饰用布及功能性材料，锦纶/氨纶弹力织物都具有广阔的发展前景和良好的经济效益，因此其检测方法也值得进一步探讨。目前，锦纶/氨纶混纺产品的定量分析方法有80%甲酸法、20%盐酸法、二甲基甲酰胺法这三种方法，但不同方法的结果往往有明显的差异，因此容易引起争议。本文分别对这三种方法进行了研究探讨。
2试验准备
2.1试剂与仪器
主要试剂：二甲基甲酰胺溶液，80%甲酸溶液，20%盐酸溶液，氨水，三级水。
仪器：恒温水浴锅，真空抽气泵，恒温烘箱，0.0001 g分析天平，干燥器，200 mL具塞三角瓶，玻璃砂芯坩埚。
2.2试剂配制
80%甲酸：880 mL浓度为89%（密度1.19 g/ mL）甲酸用水稀释至1000 mL。
20%盐酸溶液：取1000 mL（20℃，密度1.19 g/ mL ）慢慢加入到800 mL蒸馏水中，待冷却到20℃时，再加入蒸馏水，修正其密度至1.095 g/ mL~1.100 g/ mL。浓度控制在19.5%~20.5%。
稀氨溶液：取氨水80 mL（密度为0.880 g/mL）用水稀释至1000 mL。
2.3试样制备
把锦纶和氨纶纤维样品按80/20配比制成锦纶/氨纶混合试样。
2.4试样预处理
取试样5 g左右，放在索氏萃取器中，用石油醚萃取1 h，每小时至少循环6次，待试样中的石油醚挥发后，把试样浸入冷水中，浸泡1 h，再在（65±5）℃的水中浸泡1 h，水与试样之比为100：1，并时时搅拌溶液，然后抽吸或离心脱水、晾干。
2.5试验步骤
1) 烘干：将试样放入烘箱内，在（105±3）℃温度下烘4 h~16 h，如烘干时间小于14 h，则需烘至恒重（连续两次称得试样重量的差异不超过0.1%）。
2) 冷却：在干燥器中冷却，干燥器放在天平边，冷却时间以试样冷至室温为限（一般不能少于30 min）。
3) 称重：冷却后，将样品在2 min内称完，精确至0.0002 g。
3试验
取混纺比为80/20的锦纶/氨纶混合试样各5份，每份1.0 g左右，经预处理后参照方法标准GB/T 2910.12―2009《纺织品 定量化学分析 第12部分：聚丙烯腈纤维、某些改性聚丙烯腈纤维、某些含氯纤维或某些弹性纤维与某些其他纤维的混合物(二甲基甲酰胺法)》。
GB/T 2910.7―2009《纺织品 定量化学分析第7部分:聚酰胺纤维与某些其他纤维混合物(甲酸法)》和FZ/T 01095―2002 《纺织品 氨纶产品纤维含量的试验方法》中提到的二甲基甲酰胺、80%甲酸法、20%盐酸法，对锦纶/氨纶混合试样依次进行定量化学分析，再从中选择出最佳的试剂，进行优化试验。
当d值大于1时，表明不溶纤维在溶解过程中有重量损失，计算结果时要予以补偿；d值小于1时，表明不溶纤维在溶解过程中有重量增加，计算结果时要予以扣除；d值等于1时，表明不溶纤维在溶解过程中没有重量变化[1]。
5 试验方法分析
5.1二甲基甲酰胺法
5.1.1原理
从已知干重的试样中用二甲基甲酰胺把氨纶纤维溶解，使两种纤维分离，将不溶纤维清洗、烘干、冷却称重，计算出各组分的含量百分率。
5.1.2步骤
把准备好的试样放入三角烧瓶中，每克试样加入150 mL二甲基甲酰胺，塞上玻璃塞，摇动烧瓶将试样充分润湿后，让烧瓶保持90℃~95℃放置1h。如果试样中的聚丙烯腈难于溶解，可以多加50 mL二甲基甲酰胺，在此期间用手轻轻摇动5次。用玻璃砂芯坩埚过滤，残留物留在烧瓶中，另加 60 mL二甲基甲酰胺，保持90℃~95℃放置30 min，用手轻轻摇动2次。把残留物过滤到玻璃砂芯坩埚，真空抽吸排液，并用水将残留物洗至坩埚中，真空抽吸排液。最后烘干、冷却、称重[2]。
5.1.3结果计算
试验结果如表1所示。
从表1来看，我们在不考虑二甲基甲酰胺对锦纶的影响时，按d值取1.00进行计算，结果锦纶重量损失百分率在－0.7%~－0.9%之间。这说明二甲基甲酰胺溶解氨纶时对锦纶有一定的影响。通过对锦纶在二甲基甲酰胺中的重量损失d值进行了求解试验（见表2），求得d值为1.01，证明了上述观点。按d值为1.01计算，则锦纶/氨纶百分含量与配比一致，接近真值。
5.280%甲酸法
5.2.1原理
用80%甲酸溶解锦纶，剩余氨纶，使两种纤维分离。将不溶纤维清洗、烘干、冷却称重，计算出各组分的含量百分率。
5.2.2步骤
将试样放入具塞三角瓶中，每克试样加入100 mL80%甲酸溶液，在室温状态下振荡15 min，待锦纶充分溶解后，用已知重量的玻璃滤器过滤，将剩余的纤维用同温同浓度的80%甲酸溶液洗涤2~3次，用热水洗涤，用稀氨溶液中和，然后水洗至用指示剂检查呈中性为止，每次洗后必须用真空抽吸排液。最后烘干、冷却、称重[3]。
5.2.3结果计算
试验结果见表3。
从表3来看，我们在不考虑80%甲酸对氨纶的影响时，按d值取1.00进行计算，结果氨纶重量损失百分率在－1.1%~－2.5%之间。这说明甲酸溶解氨纶时对锦纶的影响较大。
通过对氨纶在甲酸中的重量损失d值进行了求解试验（见表4），得d值为1.11，证明了上述观点。按d值为1.11计算，锦纶/氨纶百分含量的平均值与配比基本一致，但数值彼此之间差异较大。
5.320%盐酸法
5.3.1原理
用20%盐酸溶解锦纶，剩余氨纶，使两种纤维分离。将不溶纤维清洗、烘干、冷却称重，计算出各组分的含量百分率。
5.3.2步骤
将试样放入具塞三角瓶中，每克试样加入100 mL20%盐酸溶液，在室温状态下振荡20 min，待锦纶充分溶解后，用已知重量的玻璃滤器过滤，将剩余的纤维用同温同浓度的20%盐酸溶液洗涤2~3次，用稀氨溶液中和，然后水洗至用指示剂检查呈中性为止，每次洗后必须用真空抽吸排液。最后烘干、冷却、称重[4]。
5.3.3结果计算
试验结果见表5。
从表5来看，在不考虑20%盐酸对氨纶的影响时，按d值取1.00进行计算，氨纶重量损失在－0.1%~+0.2%之间。这说明20%盐酸溶解锦纶时对氨纶基本没有影响。通过对氨纶在20%盐酸的重量损失d值进行了求解试验（见表6），结果证明了上述观点。
6结论
通过试验分析可知，80%甲酸法对氨纶的影响较大，重量损失百分率在－1.1%~－2.5%之间，超出了标准允差范围，尽管经溶解系数修正后，结果平均值可以接近真值，但误差较大，不建议使用此方法检测锦纶/氨纶混纺产品。三种方法中二甲基甲酰胺法、20%盐酸法的测试结果基本接近于真实值，二甲基甲酰胺法是GB/T 2910.12―2009中规定的方法，在日常检测过程中可以优先使用，20%盐酸法可以配合使用。
参考文献：
[1] 邢声远，孔丽萍.纺织纤维鉴别方法[M].北京：中国纺织出版社，2004:270-273.
[2] GB/T 2910.7―2009《纺织品 定量化学分析第7部分:聚酰胺纤维与某些其他纤维混合物(甲酸法)》[S].
[3] GB/T 2910.12―2009《纺织品 定量化学分析 第12部分：聚丙烯腈纤维、某些改性聚丙烯腈纤维、某些含氯纤维或某些弹性纤维与某些其他纤维的混合物(二甲基甲酰胺法)》[S].
篇7
关键词：纤维沥青混合料；纤维类型；最佳用量；低温性能；水稳定性
中图分类号:U 416.217文献标识码:A
Studies on the Influence of Fiber Asphalt Mixture Performance
Qin Liping1 Li Jie2
(1，2 Sichuan college of architectural technology，deyang sichuan，618000)
ABSTRACT：In recent years, fibers-reinforced asphalt mixture has been widely used in pavement construction, but there are many problems to he solved for it is design. Through a series of experiments and researches of fibers-reinforced asphalt mixture, When using Dolanit® AS polyacrylonitrile fiber asphalt to analysis the influence of the amount of fiber, existing a optimum amount of fiber. Under present studying conditions, the optimum amount of Dolanit® as polyacrylonitrile is 0.3%, and 4.65% for the corresponding quantity of asphalt. Through different types of fiber on the properties of asphalt mixture compared, the polyester fiber of BoniFibers® is one upon others. Finally, through the improving effect of fiber on the asphalt mixtures AC-16 and SMA-16 practical performances such as low-temperature stability and water stability test ,show that the polymer fiber has strong ability to improve such stabilities ,but there was a optimized amount of fiber contained in the mixture，or ineffective.
KeyWords: fibers-reinforced asphalt mixture；fiber type；optimum dosage；low-temperature performance；water stability
0．引言
沥青路面是高速公路主要的路面结构形式，其破坏形式主要表现为车辙、开裂和疲劳破坏，自60年代以来，几乎大多数与沥青路面研究有关的课题也集中在这三大破坏形式上。我国近十年来修筑的沥青道路往往都达不到设计年限，通常出现两种破坏形式――水损害和反射裂缝，这也逐渐引起业内人士的关注，并已形成世界性范围的问题。另外，在我国《公路沥青路面设计规范（JTJ014-2004）》[1]中提出，有条件时沥青混合料中可添加纤维提高其使用性能。纤维在沥青混凝土AC和SMA中究竟起什么作用，其效果究竟如何，鉴于这方面的研究不多，本文针对这一问题，选用了四种聚酯纤维、一种木质素纤维和一种矿物纤维、AH-70重交沥青，配制两种纤维沥青混合料（AC-16和SMA-16两种），对比其马歇尔试验指标、低温劈裂强度、残留稳定度、冻融劈裂强度比和高温稳定性（动稳定度）等使用性能。
1 原材料
本研究中所选沥青为中海石油AH-70，试验所用纤维有： 德兰尼特（Dolanit® AS）聚丙烯腈纤维和ARBOCEL木质素纤维，博（BoniFbers®）聚酯纤维和福塔纤维(FORTA® AR纤维由聚丙烯和芳纶纤维复合形成的纤维物)，国产DCPET聚酯纤维，加拿大产的福贝（FIBROX）矿物纤维，共六种纤维。矿质集料：玄武岩碎石，花岗岩砂子和玄武岩矿粉。矿料级配选用了AC-16和SMA-16两种，为尽量避免级配范围的影响，试验中采用规范规定的级配中值，经室内逐级筛分后回配得到。
2 纤维沥青混合料马歇尔试验研究
2.1 纤维用量对马歇尔试验结果的影响
纤维用量是指纤维占全部纤维沥青混合料的质量百分比。纤维用量不同，纤维在混合料中的分散性、有效比表面积及对混合料的加强作用也不尽相同。为此，本文选择Dolanit® AS聚丙烯腈纤维用AC-16的混合料进行了马歇尔试验结果比较，纤维剂量分别采用0％,0.20％, 0.30％, 0.40％，0.50％。试验室内首先按马歇尔试验法确定不同纤维剂量下的最佳油石比，再在此最佳油石比下测试各马歇尔试验指标，如表1所示。
表1
如表1所示，随着纤维用量的增加，沥青混合料的最佳沥青用量有一最大值，混合料的密度降低，孔隙率与[VMA]将增大，马歇尔稳定度出现一最大值，而流值随纤维用量增加而增加。从复合材料角度看，宏观上纤维沥青混合料是连续的，但从微观角度看又是不连续且非均质的，因而纤维加入后，往往在其分散性受到限制时，结团成束的纤维成为混合料中的“强度弱点”，引起强度分布不均匀，反而有使混合料强度下降的趋势。同时，纤维在混合料中又有不同程度的桥接加筋作用，并提高了沥青与矿料间的界面强度，使混合料整体强度有所提高。因此纤维沥青混合料的强度值应视具体情况而定。在纤维掺量为0.4%时，沥青混合料的稳定度下降，纤维用量太高，分散性下降，反而使混合料的稳定度值降低。由表1结果可知，对于纤维沥青混合料而言，存在最佳纤维用量，本研究条件下Dolanit® AS聚丙烯腈纤维的最佳纤维用量为0.3％，相应的沥青用量为4.65％。
流值同沥青用量关系十分密切，沥青用量越大，流值也越高。纤维加入后，混合料的最佳沥青用量增加，同时纤维又有提高混合料的抗变形能力的作用。因此，纤维混合料的流值随纤维用量的增加也是增高的，但其增加速度放缓。
2.2纤维类型对马歇尔试验结果的影响
纤维类型不同，结构组成不一样，在混合料中的作用也不尽相同，本研究中采用了日前中国常见的六类纤维，分别按马歇尔法确定出各纤维在相同纤维用量下( 0.3%)的最佳沥青用量，再测试出最佳沥青用量下马歇尔结果如表2所示。
由表2可知，六种纤维对AC-16中值级配的马歇尔试验指标的作用效果并没有明显差异，BoniFbers®聚酯纤维稍胜一筹。
3．纤维沥青混合料低温抗裂性能研究
国内外用于研究沥青混凝土低温抗裂性能的试验方法有多种，主要包括：等应变加载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲、压缩试验）、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C*积分试验、收缩系数试验和应力松弛试验等。本研究采用了不同温度的间接拉伸试验（劈裂试验）方法，试验对六种纤维的沥青混合料进行了劈裂试验，试验结果如表3所示。
由结果可知，在AC-16普通沥青混凝土中，纤维对提高低温抗裂性能几乎没有贡献，各种纤维之间也就没有什么差异。
同样，相对于SMA-16而言，纤维改善其劈裂强度比在AC-16中有所提高，但效果也不太明显，提高幅度仅为15%左右。
4．纤维沥青混合料水稳定性能研究
沥青混合料水稳定性的评定方法，通常分两个阶段进行，或者说分为两类：第一阶段是评价沥青与矿料的粘附性；第二阶段是评价沥青混合料的水稳定性。这两个阶段是不可分割的整体，决不能割裂开来看。前者的试验方法主要有水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等；后者的试验方法广泛应用的有浸水马歇尔试验、冻融后劈裂强度比试验、浸水劈裂强度试验、浸水抗压强度试验、浸水车辙试验等。按照目前我国的技术要求，在施工规范及设计规范中都规定采用了浸水马歇尔试验及和冻融劈裂试验来评价沥青混凝土的水稳定性。本研究对六种纤维的沥青混合料进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。
4.1浸水马歇尔试验结果与分析
试件分成两组：一组在60℃水浴中保养30min～40min后测定其马歇尔稳定度MS1；另一组在60℃水浴中恒温保养48h后测定其马歇尔稳定度MS2，用残留稳定度MS0来表征沥青混凝土的水稳定性，MS0值越大，水稳定性越好。AC-16试验结果如表4所示，SMA-16的试验结果如表5所示。
纤维将SMA混合料的残留稳定度提高了15%，超过了AC-16，说明了沥青与骨料之间的粘结力才是关键。
4.2冻融劈裂试验结果与分析
我国的冻融劈裂试验是根据美国的洛特曼（Lottman）试验简化而成的。试件分成两组：试验对六种纤维和两种沥青混合料共十一种沥青混凝土作了试验对比，其试验结果如表6所示。
由表6可知，纤维对AC-16的冻融劈裂强度有一定影响但也不明显，其结论与纤维对沥青混凝土不同温度下劈裂强度的影响基本一致。纤维对SMA-16的冻融劈裂强度的影响比AC-16混凝土明显，在标准SMA混凝土中，沥青混合料的冻融强度比通过添加纤维可提高23.9％。
4.3 纤维剂量对沥青混合料水稳定性的影响
为分析纤维剂量对纤维沥青混凝土耐水害性能的影响，用Dolanit® AS聚丙烯腈纤维和普通沥青进行纤维用量的影响分析，纤维剂量为0％,0.20％, 0.30％, 0.40％，0.50％(此剂量为纤维占整个纤维沥青混凝土的质量百分比)。试验室内首先按马歇尔法确定不同纤维剂量下的最佳油石比，以讨论不同纤维剂量对耐水性指标的影响，其结果如表7、表8所示。
由以上表7、表8的结果可知，纤维剂量存在最佳剂量，对于本研究的Dolanit® AS聚丙烯腈纤维而言，其最佳剂量为0.3％，此时纤维对提高沥青混凝土的残留稳定度最大只达10.7％，对于提高冻融劈裂强度比仅为3.6％，因此可以进一步说明纤维对提高沥青混凝土的水稳定性作用不明显。
5. 结论
（1）对于沥青混凝土的马歇尔试验指标、残留稳定度和冻融劈裂强度比均存在纤维最佳用量；
（2）六种纤维对AC-16中值级配的马歇尔试验指标的作用效果没有明显差别。对于SMA-16马歇尔试验指标而言，纤维的作用比较明显。
（3）纤维对低温抗裂能力的影响
在普通沥青和改性沥青的AC-16中，纤维对提高低温抗裂性能有一定的贡献，且各种纤维之间也没有差异。同样，对于SMA-16而言，纤维对改善其劈裂强度比在AC-16中有所提高，提高幅度为15％左右。
（4）纤维对提高水稳定性的影响
通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，说明纤维对沥青混凝土AC-16水稳定性的贡献比较小。
纤维使SMA的残留稳定度提高3.6％，在标准的SMA中，通过添加纤维可提高冻融劈裂强度23.9％，因此纤维对SMA-16的水稳定性有贡献，且比在AC-16中的作用大。
参考文献：
1．中华人民共和国行业标准．公路沥青路面设计规范（JTJ014-2004），2004年
2. 中华人民共和国行业标准．公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）.北京：人民交通出版社.1994
3. E.R.Brown etc. Development of a Mixture Design Procedure for Stone Matrix Asphalt (SMA).AAPT,1997
篇8
关键词：二甲基甲酰胺（DMF）；硫氰酸钠；羊毛/腈纶混纺
腈纶是聚丙烯腈纤维在我国的商品名，国外则称为“奥纶”“开司米纶”。腈纶纤维有人造羊毛之称，具有柔软、蓬松、易染、色泽鲜艳、耐光、抗菌、不怕虫蛀等优点，常与羊毛混纺成毛线，或织成毛毯、地毯等。
在纺织品检测中，硫氰酸钠法与二甲基甲酰胺法都曾经作为标准方法出现在羊毛/腈纶混纺的产品检测中，因考虑到硫氰酸钠试剂对人体有一定的危害性，故二甲基甲酰胺法是对羊毛/腈纶混纺产品的常规检测方法[GB/T 2910.12―2009《纺织品定量化分分析 第12部分：聚丙烯腈纤维、某些改性聚丙烯腈纤维、某些含氯纤维或某些弹性纤维与某些其他纤维的混合物（二甲基甲酰胺法）》]。本文通过试验，抛开其他因素，只从正确度来比较两种方法对羊毛/腈纶混纺产品的定量分析情况。
1 试验准备
1.1 样品准备
分别选取标准羊毛贴衬织物以及标准腈纶贴衬织物，将织物拆散成纱线，分开放置待用。
1.2 样品预处理
将样品放在索氏萃取器中，用石油醚萃取1h，每小时至少循环6次。待试样中的石油醚挥发后，把样品浸入冷水中，浸泡1h，再在（60±5）℃的水中浸泡1h，并不时搅拌溶液，然后抽吸或离心脱水、晾干。
1.3 主要试剂
二甲基甲酰胺：参照GB/T 2910.12中4.1规定的试剂――二甲基甲酰胺，沸点152℃～154℃。
硫氰酸钠（质量分数为49%～51%）：将500g硫氰酸钠加入500mL水（20℃，51%硫氰酸钠溶液密度为1.294g/mL）。
1.4 主要仪器
分析天平，电热鼓风烘箱，恒温振荡水浴锅，索氏萃取器，玻璃砂芯坩埚，真空抽气泵，干燥器，具塞三角烧瓶（容量不小于250mL），具塞玻璃瓶，量筒，抽气滤瓶，称量瓶等。
1.5 正确度验证
正确度指的是大量测量结果的平均值与真值之间的一致程度，它表示测量中系统误差的影响。试验中先按不同的设计比例将羊毛纤维和腈纶纤维进行混合，制成10份不同比例的试样，然后试样分别以二甲基甲酰胺法和硫氰酸钠法进行定量，最后获取试验值。（按GB/T 2910.1[2]规定的程序运行，二甲基甲酰胺法以1：150的浴比在90℃～95℃振荡水浴锅中下溶解1h；硫氰酸钠法以1：100的浴比在70℃～75℃振荡水浴锅中溶解0.5h，两种方法均以国标规定方法清洗并以砂芯漏斗过滤。）
2 结果与讨论
混合试样中羊毛组分的净干百分比计算如公式（1）。
（1）
式中：p――试验后羊毛的净干质量分数，%；
M――试验前试样的干燥质量，g；
m――试验后羊毛的干燥质量，g；
d――羊毛在试验中的质量变化修正系数（根据标准，二甲基甲酰胺法中羊毛的d值为1.01，硫氰酸钠法的d值为1.00）。
2.1 正确度的分析比较
选取不同羊毛/腈纶比例的混纺试样，对其分别用二甲基甲酰胺法和硫氰酸钠法进行定量分析，试验结果见表1。
分别将经二甲基甲酰胺法与硫氰酸钠法所得到的羊毛含量（试验值）与设计真值偏差的绝对值列入表格，从比对表中可以看出，二甲基甲酰胺法的偏差更小，其比例更接近于设计的真值，正确度更高。
2.2 二甲基甲酰胺法的稳定性研究
对二甲基甲酰胺法的稳定性进行研究，分别选取此方法测得的20组试验数据与设计真值的偏差值进行分析，将结果线性拟合，结果见图1。
从图1中可以看出，数据拟合结果趋近于直线，各组数据与真值的偏差在0～0.3这段范围内，分布在直线的上下，说明数据呈现一定的规律性，20组数据的平均偏差值在0.19左右，相当稳定，并且在区间内有很好的聚拢性，表明二甲基甲酰胺法有相当好的试验数据重现性，测得的结果有较高的可信度。
3 结论
篇9
腈纶毛衣不会收缩。
因为腈纶纤维，即聚丙烯腈纤维，与羊毛具有非常相似的性能和良好的弹性，当它被拉伸20%时，它的回弹率仍能保持在65%，蓬松、卷曲和柔软，并且它的保暖性比羊毛高15%，因此它被称为合成羊毛。强度为22.1-48.5cN/dtex，是羊毛的1-2.5倍。它具有优异的防晒性能。它可以在户外暴露一年，其强度只会下降20%。它可以制成窗帘、窗帘、防水油布、枪外套等。它能耐酸、耐氧化剂和普通有机溶剂，但耐碱性差。纤维的软化温度为190~230。如果腈纶毛衫不缩水，只要注意干燥和晾干的方法，它们就不会变形。
（来源：文章屋网 ）
篇10
碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，其中碳纤维原丝的生产技术更是难中之难。国产碳纤维原丝在纯度、强度以及均质化方面与国外相比存在较大差距，成为制约我国碳纤维产业发展的瓶颈。
目前，国际上PAN基碳纤维总产能已达70 000 t/a以上，生产国主要有日本、美国、俄罗斯等。其中日本占世界总产能的90%以上，碳纤维技术主要由日本东丽公司、东邦公司和三菱人造丝公司等 3 家公司掌握。我国PAN基碳纤维研发、生产、规模长期处于较低的水平，国内市场所需产品主要依赖进口。由于高性能PAN基碳纤维在军工方面的重要作用，日、美等国严格控制相关技术和产品对我国的出口。
吉林化纤集团奇峰公司在1995年曾全套引进了世界先进的意大利蒙特公司的湿法二步法腈纶生产工艺技术和设备，建成后腈纶产能达28.6万t/a，是我国最大的腈纶生产商。鉴于日本东丽、东邦、三菱三大碳纤维公司都是由腈纶企业发展起来的，2006年，吉林化纤集团决定利用公司原有腈纶生产设备和技术，自主研发大规模、低成本PAN基碳纤维原丝的工业化生产新技术，替代进口产品，满足国内市场需求。
2006年10月起，吉林化纤公司与长春工业大学通过产学研合作，联合开展碳纤维原丝产业化攻关。课题组整合了实验室研究成果与工业化腈纶生产控制技术，通过自主研发，集成创新出水相悬浮聚合湿纺二步法PAN基碳纤维原丝工业化生产新技术。该技术具有工艺流程短、产量高、成本低、产品质量稳定、适合大规模工业生产等特点，为国内首家独创。
2011年11月，吉林化纤集团旗下公司吉林碳谷碳纤维有限责任公司建成年产5 000 t PAN基碳纤维原丝生产线，成为中国最大的碳纤维原丝生产基地，破解了长期制约我国碳纤维产业发展的瓶颈，为碳纤维的广泛应用奠定了坚实的原料基础，大大提升了国产碳纤维产品的综合竞争力。
同时，碳谷公司还积极与中钢江城、吉研高科等下游企业紧密配合，形成了一条包括碳纤维原丝、碳纤维、碳纤维制品等完整的产业链。2013年11月，由吉林碳谷碳纤维有限公司、长春工业大学、中钢集团江城碳纤维有限公司、吉林市吉研高科技纤维有限责任公司共同完成的“年产5 000 t PAN基碳纤维原丝关键技术”项目荣获“纺织之光”2013年度中国纺织工业联合会科技进步奖一等奖。