按原材料的不同,碳纖維可分為三類。世界上能夠達到工業規模化生產的主要 有聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維三種,其中 PAN 基碳纖維佔據絕對主要地位,份額達 90%以上,其次是瀝青基碳纖維約佔 6-8%, 黏膠基碳纖維產量最低。 產業中最早開發的是黏膠基碳纖維,該類纖維強力較低,主要應用於耐燒蝕材 料及隔熱材料。瀝青基碳纖維彈性模量好,熱膨脹係數小、熱導率高、但抗拉 強度和抗壓強度低,且瀝青的提取成本較高。PAN 綜合性能最好,價格適中, 生產難度較瀝青更低,品種多,是全球碳纖維市場的主流產品。根據應用領域的不同,碳纖維按照絲束大小通常可以分為大絲束碳纖維和小絲 束碳纖維。一般將 48 K(每束含有 48 000 根碳纖維)及以上稱為大絲束碳纖 維,也稱為工業級碳纖維,主要有 50、60、120、240、360 K 等;反之則稱 為小絲束碳纖維,也稱為宇航級碳纖維,主要有 1、3、12、24 K 等。從 20 世 紀 60 年代 PAN 基碳纖維的技術突破開始到現在,市場一直以小絲束碳纖維為 主要產品。 大絲束碳纖維雖然過去就有生產,但是由於其抗拉強度不高,與小絲束有較大 差距,所以大絲束碳纖維一直沒有得到重視,也沒有被廣泛應用。直至近年來, 大絲束碳纖維性能提升,價格優勢更加明顯,在工業領域裡具有更強的競爭力, 尤其是 2013 年,德國寶馬部分款型汽車採用 SGL 公司生產的大絲束碳纖維, 打開了大絲束碳纖維在汽車領域的應用之門。
大絲束碳纖維應用的整個產業鏈技術也取得突破性進展,大絲束碳纖維迎來了發展的「春天」。碳纖維製造過程核心是將通過紡絲過程獲得的原絲經過一系列高溫熱處理工程 轉變為碳纖維的過程。以主流產品 PAN 基碳纖維為例:從 PAN 原絲開始,通 過丙烯腈單體聚合再通過濕法或乾濕法紡絲得到原絲,經過預氧化、碳化、石 墨化的過程,使高分子發生氧化、熱解以及環化等一系列化學反應,形成石墨 態的碳纖維。PAN 原絲是製造碳纖維的原材料,原絲的性能很大程度可以決定碳纖維的性能。 PAN 聚合溶液製備通常是丙烯腈在二甲基亞碸(DMSO)中聚合,經脫單脫泡 後過濾,用於 PAN 原絲製備。基於聚合裝備和技術傳統,國內大部分碳纖維生 產廠家採用該法,結合間歇或半連續聚合工藝流程。間歇聚合即聚合主題過程 在獨立設備和時段內一次完成,進出料均為間歇過程,嚴格按批次操作。 從生產性和可行性角度考慮,大部分企業採取 PAN 基碳纖維的主流紡絲方法是 濕法紡絲。其中,國內的濕法紡絲僅限濕噴濕紡,即噴絲板浸入凝固浴中,紡 絲原液通過噴絲板直接浸入凝固浴,把干噴濕紡稱為「乾濕法」,即噴絲板不直 接與凝固浴接觸,紡絲原液從噴絲板噴出后經過空氣段進入凝固浴。干噴濕紡 技術可以明顯提高在紡絲過程中的牽伸倍率,因此 T300 碳纖維生產線中普遍 適用濕噴濕紡,而 T700 碳纖維需要的牽伸力度更大,適用干噴濕紡。 加工處理原絲是碳纖維生產至關重要的環節,在整個製備過程中,高溫處理設 備最為關鍵核心,設備的穩定性直接關係到生產鏈的運轉能力和產品性能。

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