碳纖維生產工藝流程圖及流程說明

原絲制備：

• 聚合：將丙烯腈單體和溶劑二甲基亞砜（DMSO）與共聚單體和引發劑偶氮二異丁腈一起按配比投入聚合釜，在一定溫度下進行溶液聚合反應，生成聚丙烯腈原液。聚合過程中，溫度、引發劑用量、水和單體比等因素的控制至關重要，會影響聚合物的分子量及其分布，進而影響原絲質量。

• 紡絲：常見的紡絲工藝有濕法紡絲和干噴濕紡。濕法紡絲是將紡絲溶液經過濾、脫泡后，通過計量泵精確計量進入浸泡在凝固浴中的噴絲頭，溶液從噴絲頭擠出后在凝固浴中凝固成絲條。干噴濕紡則是紡絲液從噴絲孔出來后先經過干段空氣層或氮氣層，再進入凝固液中凝固，該方法可得到更均勻的纖維絲束，易于制備更高強度原絲。成型后的原絲需經水洗去除殘留溶劑，并在 100-150℃下干燥致密化，最終得到直徑約 10-15μm 的白色 PAN 原絲。

預氧化：將 PAN 原絲在空氣氣氛中于 200-300℃進行緩慢升溫處理，耗時數小時。此過程中，分子鏈中的氰基（—C≡N）發生環化反應形成梯形結構，同時釋放 NH?和 HCN 氣體。需精確控制升溫速率（1-5℃/min）和纖維張力，避免局部過熱導致纖維斷裂。預氧化后纖維顏色由白變黑，氧含量提升至 8-12%，具備耐高溫特性。

碳化：預氧化后的纖維在惰性氣氛（如 N?）中進行碳化處理，從 400℃逐步加熱到 1600℃，經過低溫碳化（400-1000℃）和高溫碳化（1000-1600℃）兩個區域。在此溫度范圍內，預氧絲中的 N、H、O 等非碳元素從纖維中釋放出來，形成亂層石墨結構，纖維密度增至 1.7-1.9g/cm3，碳含量超過 90%，具備強抗拉特性。

石墨化：對于高模量碳纖維，需要進行石墨化處理。將碳化后的纖維在 2000-3000℃的高溫下，在惰性氣體環境中進行處理，使纖維內的碳元素從亂層結構轉化為三維石墨結構，進一步提高碳纖維的模量。

表面處理及上漿：為提高碳纖維和樹脂之間的結合力，需要對碳化后的碳纖維進行表面處理，主要工藝包括電解、水洗、上膠、干燥等。隨后進行上漿處理，上漿劑一般占碳纖維重量的 0.5%-5%，可在處理和加工過程中保護碳纖維，將細絲束縛在各個絲束中，減少起毛，提高可加工性并增加纖維與基體樹脂之間的界面剪切強度。上漿干燥結束后，即得到碳纖維成品。