聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)技術(shù)

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(chē)、電子、機(jī)械、化工、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛，是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略型新興材料。碳纖維生產(chǎn)技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科、多領(lǐng)域深度交叉的系統(tǒng)工程，涉及化學(xué)工程、高分子物理與化學(xué)、纖維材料物理與化學(xué)等學(xué)科，化工、紡織、冶金及機(jī)械等領(lǐng)域。因此，碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作。 長(zhǎng)期以來(lái)，由于國(guó)外一直對(duì)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和裝備實(shí)施全面封鎖，致使其成為制約我國(guó)航空航天和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一。碳纖維的研發(fā)引起了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注。中國(guó)石油吉林石化公司以國(guó)家急需為歷史使命，經(jīng)過(guò)四十年的攻關(guān)，在碳纖維工程技術(shù)開(kāi)發(fā)、工業(yè)化裝備設(shè)計(jì)及提高產(chǎn)品質(zhì)量均一性等方面取得了重大突破；在大型間歇聚合反應(yīng)器、多級(jí)凝固成型組合系統(tǒng)、PAN紡絲工藝及碳化技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，其中多項(xiàng)技術(shù)和裝備已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。自主開(kāi)發(fā)出工業(yè)化成套技術(shù)軟件包，自行設(shè)計(jì)并建成了百?lài)嵓?jí)成套工業(yè)化生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)和供貨，產(chǎn)品通過(guò)了國(guó)內(nèi)權(quán)威用戶(hù)的測(cè)試和評(píng)價(jià)，碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量及復(fù)合材料性能全面達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。 歷經(jīng)四十年的研發(fā)、創(chuàng)新與發(fā)展，中國(guó)石油吉林石化公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維產(chǎn)品從無(wú)到有，裝置規(guī)模實(shí)現(xiàn)了從模試化到工業(yè)化的跨越式遞進(jìn)。雖然已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是在高性能系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面、在產(chǎn)品及裝置的綜合競(jìng)爭(zhēng)力等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有較大的差距。中國(guó)石油將不負(fù)國(guó)家的希望和重托，將“以自主創(chuàng)新引領(lǐng)可持續(xù)發(fā)展”，不斷向高端碳纖維產(chǎn)品邁進(jìn)，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。在未來(lái)的五至十年內(nèi)，將開(kāi)發(fā)出T700、T800及MJ等系列碳纖維產(chǎn)品和碳纖維連續(xù)抽油桿、風(fēng)力發(fā)電葉片等復(fù)合材料制品，形成系列化、延伸化、規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，中國(guó)石油吉林石化公司必將成為國(guó)際一流的碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)基地。 本書(shū)的作者長(zhǎng)期從事碳纖維生產(chǎn)技術(shù)及裝備的研究開(kāi)發(fā)，較全面、系統(tǒng)、深入地掌握了碳纖維生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)生產(chǎn)技術(shù)及裝備結(jié)構(gòu)。本書(shū)從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)內(nèi)容，可為從事碳纖維生產(chǎn)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(guó)科學(xué)院院士

內(nèi)容概要

　　本書(shū)從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，較全面、系統(tǒng)、深入地介紹了碳纖維生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)技術(shù)及裝備結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括PAN基碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)、PAN基碳纖維生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備、DMSO溶劑回收技術(shù)、PAN基碳纖維安全生產(chǎn)及廢氣處理技術(shù)、PAN基碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的分析測(cè)試、碳纖維復(fù)合材料。本書(shū)可為從事碳纖維生產(chǎn)和研發(fā)工作的廣大科技人員提供一定的借鑒和參考。

書(shū)籍目錄

"1PAN基碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)
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(shì)
1.2PAN原絲的制備
1.2.1濕法紡絲凝固成型過(guò)程中的雙擴(kuò)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(shì)
1.3PAN原絲的預(yù)氧化與碳化
1.3.1PAN原絲的預(yù)氧化
1.3.2PAN原絲的碳化
1.3.3PAN原絲預(yù)氧化及碳化過(guò)程中的張力變化
1.3.4碳纖維灰分的產(chǎn)生及控制方法
1.4 碳纖維表面處理
1.4.1陽(yáng)極電解氧化法
1.4.2陽(yáng)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(shì)
1.5上膠處理
1.5.1上膠劑的種類(lèi)
1.5.2上膠工藝
1.5.3上膠處理對(duì)碳纖維性能的影響
參考文獻(xiàn)
2PAN基碳纖維生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備
2.1聚合反應(yīng)器
2.1.1聚合反應(yīng)器的型式及特點(diǎn)
2.1.2不同體積釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)
2.2脫單脫泡器
2.2.1脫單脫泡器種類(lèi)
2.2.2PAN原絲生產(chǎn)中使用的脫單脫泡器
2.3紡絲機(jī)
2.3.1紡絲機(jī)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(jī)
2.4.1水洗機(jī)的組成
2.4.2水洗機(jī)的排布方式及特點(diǎn)
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(shè)計(jì)原則
2.6.2結(jié)構(gòu)形式
2.6.3防火措施
2.6.4發(fā)展趨勢(shì)
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(jī)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(jī)
2.9.1原絲卷繞機(jī)
2.9.2碳纖維卷繞機(jī)
參考文獻(xiàn)
3DMSO溶劑回收技術(shù)
3.1單塔間歇蒸餾
3.1.1流程概述
3.1.2工藝過(guò)程
3.2雙塔半連續(xù)精餾
3.2.1流程概述
3.2.2工藝過(guò)程
3.3多塔連續(xù)精餾
3.3.1流程概述
3.3.2工藝過(guò)程
3.3.3回收DMSO產(chǎn)品的應(yīng)用評(píng)價(jià)
參考文獻(xiàn)
4PAN基碳纖維安全生產(chǎn)及廢氣處理技術(shù)
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(shù)
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(shù)
4.3.1廢氣的特性
4.3.2處理方法
4.3.3排放標(biāo)準(zhǔn)
參考文獻(xiàn)
5PAN基碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的分析測(cè)試
5.1原料的分析檢測(cè)
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(guò)程控制分析檢測(cè)
5.2.1聚合液黏度
5.2.2聚合液轉(zhuǎn)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(cè)定
5.2.5纖度
5.2.6單絲強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)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(chǎn)品的分析檢測(cè)
5.3.1密度
5.3.2復(fù)絲拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂延伸率
5.3.3表面上膠劑含量
5.3.4復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度
5.3.5鉤接強(qiáng)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(xiàn)
6碳纖維復(fù)合材料
6.1碳纖維復(fù)合材料的制備技術(shù)
6.1.1碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料
6.1.2碳/碳復(fù)合材料（C/C）
6.1.3其他復(fù)合材料
6.2碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域
6.2.1國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料的整體需求
6.2.2碳纖維復(fù)合材料在三大領(lǐng)域的應(yīng)用
6.2.3在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
6.3碳纖維復(fù)合材料的回收利用
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   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(jìn)行脫除。閃蒸釜內(nèi)的AN加熱后汽化脫阻、冷凝后直接進(jìn)入計(jì)量罐，達(dá)到指定體積后停止蒸餾，超出部分溢流返回閃蒸釜。計(jì)量罐內(nèi)丙烯腈供原料配制使用。閃蒸釜?dú)堃簝?nèi)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(chǎn)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(chēng)重后先后投入溶解槽，使其溶于二甲基亞砜溶液中。其過(guò)程為：從DMSO計(jì)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(jì)算），開(kāi)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(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，避免單體自聚、引發(fā)劑分解。 應(yīng)當(dāng)注意的是，不同物料均應(yīng)單獨(dú)溶解，避免在聚合反應(yīng)前發(fā)生反應(yīng)。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(jì)量 由于AN和DMSO的用量較大，可采用體積計(jì)量方式進(jìn)行計(jì)量。為了避免溫度差異造成計(jì)量誤差（液體物料密度受溫度影響），必須對(duì)設(shè)備內(nèi)物料進(jìn)行恒溫。來(lái)自槽車(chē)或貯罐的DMSO原料，經(jīng)過(guò)泵輸送進(jìn)入DMSO貯槽。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃用泵輸送至DMSO計(jì)量槽中稱(chēng)量待用，超出計(jì)量范圍的部分溢流返回DMSO貯槽。DMSO計(jì)量槽內(nèi)部設(shè)置螺旋浮子，能夠通過(guò)改變其浸入液面的體積調(diào)節(jié)計(jì)量體積。AN直接進(jìn)入體積恒定的計(jì)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(chēng)量，需要用泵輸送至貯槽內(nèi)低溫貯存。再由泵輸送至專(zhuān)用計(jì)量槽中計(jì)量待用，超出計(jì)量范圍的部分溢流返回貯槽。計(jì)量槽形式和使用方法與DMSO計(jì)量槽類(lèi)似，需要低溫水保護(hù)，除了保證體積精確外，也能防止物料自聚。 ④混合、輸送、過(guò)濾 所有原料加入配制釜進(jìn)行配制，攪拌混合并使用冷卻水維持內(nèi)部在常溫以下（避免貯存過(guò)程單體自聚），在指定的工藝時(shí)間通過(guò)其出料泵將其送入聚合液貯槽，在低溫水和氮封保護(hù)下貯存，再經(jīng)由底部的出料泵和質(zhì)量流量計(jì)、調(diào)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(chǎn)技術(shù)》的宗旨是向讀者介紹高性能碳纖維工業(yè)化成套生產(chǎn)技術(shù)，也讓大家了解生產(chǎn)出性能優(yōu)異的碳纖維只是碳纖維整個(gè)生產(chǎn)流程的一部分，要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長(zhǎng)周期生產(chǎn)，必須全流程配套完善?？蔀閺氖绿祭w維生產(chǎn)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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