ITCF Denkendorf:獨特的碳纖維定制工藝

通過替換前驅(qū)體材料以提高碳纖維的性能，是德國鄧肯道夫紡織化學與纖維化學研究所(ITCF)高性能纖維中心(HPFC)的研究課題之一。該研究聚焦于工業(yè)化生產(chǎn)，是目前全球獨一無二的。其通過一種特殊的加工工藝改變碳纖維分子結(jié)構(gòu)，可生產(chǎn)性能更優(yōu)的碳纖維，并且，其工藝操作具有可控性及可重復(fù)性。

碳纖維的制備需通過多步驟的機械化生產(chǎn)，原料通常采用聚丙烯腈。然而，在鄧肯道夫ITCF，除采用丙烯腈外，木質(zhì)素、纖維素及聚乙烯等經(jīng)濟性原料也被視作制備碳纖維的可選材料。

需要通過熔融紡絲將原料紡制成前驅(qū)體纖維，再經(jīng)過兩道工序，才能加工得到碳纖維。

在高溫爐中進行碳化前，前驅(qū)體纖維需要進行穩(wěn)定化或化合。這樣做的目的是改變纖維的分子結(jié)構(gòu)，從而使纖維在碳化過程中能承受熱應(yīng)力而不會被分解成粉末。化合的方式很多，在試驗線上，化合通常為有氧條件下的穩(wěn)定化反應(yīng)，這也是鄧肯道夫工業(yè)化生產(chǎn)線上最常用且最可行的方式。在帶有4個獨立加熱區(qū)的轉(zhuǎn)換爐中，前驅(qū)體纖維與氧氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過程中會生成副產(chǎn)物，需對其進行分離。然而，這種采用氧氣參與的穩(wěn)定化工藝只適用于聚丙烯腈基前驅(qū)體及其他幾類備選的前驅(qū)體。對于其他材料和用途而言，宜采用下述的另一種方法。

采用兩個電子束系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)通過氧化穩(wěn)定前驅(qū)體纖維的目的，這也是鄧肯道夫ITCF的一種特殊方法。然而，通過電子沖擊穩(wěn)定前驅(qū)體纖維雖與前述方法的目標相同，但兩者的工藝則不同。在電子沖擊這種方法中，纖維原料的雙鍵被打開，與此同時，在其他位置生成新的化學鍵。纖維中的分子一個接一個地結(jié)合，從而使纖維在隨后的高溫碳化中能夠保持穩(wěn)定。

其中一個電子束系統(tǒng)裝在噴絲頭后方，可迅速對紡制的纖維進行固化處理。這對后道加工也有很大幫助：纖維脆性降低，對操作應(yīng)力的影響減小。

到目前為止，尚未成功用該方法實現(xiàn)對聚乙烯纖維的穩(wěn)定化處理。鄧肯道夫ITCF對以聚乙烯為前驅(qū)體材料制備碳纖維保留了一個獨立的系統(tǒng)，將聚乙烯的化學預(yù)處理設(shè)置在一個專門制造的且獨一無二的反應(yīng)室中，以提高碳纖維的性能。在這個過程中，通過對聚乙烯進行改性，使它的結(jié)構(gòu)性能最適于后道的碳化加工。該反應(yīng)室也被列為EU“NEWSPEC”FP7 項目的一部分。

第二套電子束系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種聚合物的化合，從而達到穩(wěn)定化的目的。

纖維的碳化是在一條獨立的生產(chǎn)線上進行的，其包括用于碳化的高溫爐生產(chǎn)線和進行表面后處理的單元。在無氧的1 300 ℃裂解爐中，化學鍵發(fā)生斷裂，分離出副產(chǎn)物。之后，纖維被喂入溫度高達2 000 ℃的高溫爐中，碳纖維的最終結(jié)構(gòu)在此形成。這一過程決定了纖維中石墨層的取向和構(gòu)造。

特殊的導(dǎo)絲器可以在不同的高溫爐之間對纖維施加特定的張力，這也是獨一無二的。最佳的纖維張力使得纖維內(nèi)部的分子鏈高度取向。對于后道的高溫處理而言，這意味著對纖維結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而提高了碳纖維的力學性能。

碳化后的碳纖維還將進行一道電化學處理。通過電鍍，可在纖維表面形成官能團，有利于其用作復(fù)合材料的增強纖維。電鍍提升了纖維與基體的黏合性，進而提高了復(fù)合材料的穩(wěn)定性。

各生產(chǎn)裝置部件組合的可能性也因此變得很獨特，而正是由于這種模塊化的加工結(jié)構(gòu)，各加工組件可以根據(jù)需要組合在一起，或剔除不需要的單元。這種通過替換前驅(qū)體材料制備得的新型碳纖維，也在某種程度上達到了前所未有的高度。

黃鑠涵 譯王依民 校