碳纤维生产工艺流程图及流程说明

原丝制备：

• 聚合：将丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜（DMSO）与共聚单体和引发剂偶氮二异丁腈一起按配比投入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，生成聚丙烯腈原液。聚合过程中，温度、引发剂用量、水和单体比等因素的控制至关重要，会影响聚合物的分子量及其分布，进而影响原丝质量。

• 纺丝：常见的纺丝工艺有湿法纺丝和干喷湿纺。湿法纺丝是将纺丝溶液经过滤、脱泡后，通过计量泵精确计量进入浸泡在凝固浴中的喷丝头，溶液从喷丝头挤出后在凝固浴中凝固成丝条。干喷湿纺则是纺丝液从喷丝孔出来后先经过干段空气层或氮气层，再进入凝固液中凝固，该方法可得到更均匀的纤维丝束，易于制备更高强度原丝。成型后的原丝需经水洗去除残留溶剂，并在 100-150℃下干燥致密化，最终得到直径约 10-15μm 的白色 PAN 原丝。

预氧化：将 PAN 原丝在空气气氛中于 200-300℃进行缓慢升温处理，耗时数小时。此过程中，分子链中的氰基（—C≡N）发生环化反应形成梯形结构，同时释放 NH₃和 HCN 气体。需精确控制升温速率（1-5℃/min）和纤维张力，避免局部过热导致纤维断裂。预氧化后纤维颜色由白变黑，氧含量提升至 8-12%，具备耐高温特性。

碳化：预氧化后的纤维在惰性气氛（如 N₂）中进行碳化处理，从 400℃逐步加热到 1600℃，经过低温碳化（400-1000℃）和高温碳化（1000-1600℃）两个区域。在此温度范围内，预氧丝中的 N、H、O 等非碳元素从纤维中释放出来，形成乱层石墨结构，纤维密度增至 1.7-1.9g/cm³，碳含量超过 90%，具备强抗拉特性。

石墨化：对于高模量碳纤维，需要进行石墨化处理。将碳化后的纤维在 2000-3000℃的高温下，在惰性气体环境中进行处理，使纤维内的碳元素从乱层结构转化为三维石墨结构，进一步提高碳纤维的模量。

表面处理及上浆：为提高碳纤维和树脂之间的结合力，需要对碳化后的碳纤维进行表面处理，主要工艺包括电解、水洗、上胶、干燥等。随后进行上浆处理，上浆剂一般占碳纤维重量的 0.5%-5%，可在处理和加工过程中保护碳纤维，将细丝束缚在各个丝束中，减少起毛，提高可加工性并增加纤维与基体树脂之间的界面剪切强度。上浆干燥结束后，即得到碳纤维成品。