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粘胶基炭纤维

时间:2005-08-23
关键词:粘胶 基炭 纤维 来源:互联网
    18世纪中期,英国人约瑟夫.斯旺(J.Swon) 和美国 人爱迪生 (E.Tdisin) 利用棉、竹等天然纤维素经过一系列后处理制造炭丝,试制电灯的 灯丝。世界上第一盏电灯的灯丝就是用爱迪生制造出的炭丝。之后,由于发明了钨丝的制造 方法,它更有效地将电能转换为光能,且使用寿命长,一直沿用至今。从此,炭丝的研制工 作停顿下来,无人问津。但是,斯旺和爱迪生发明的粘胶炭丝制造方法为后人继续研制粘胶 基炭丝奠定了基础,他们无愧是研制炭纤维的先驱。
  本世纪50年代初,随着冷战和新一轮军备竞赛开始,航天航空和军事工业等尖端技术得到 迅猛发展,人们寻求具有高比强度、高比模量和耐烧蚀等特性的新型材料,它为炭纤维的 发展提供了良机。炭纤维的研究与开发又引起各国的极大关注。1950年,美国帕斯空军基地 开 始研制粘胶基炭纤维,与此同时美国联合碳化物公司(UCC)也投入大量人力、物力和财力进 行开发,最早上市商品化炭纤维 Thornel-25就是该公司的第一代产品。50年代~60年代 ,是粘胶基炭纤维发展的鼎盛时期。之后,随着PAN基、沥青基炭纤维的相继问世和强劲发 展,粘胶基炭纤维工业受到很大冲击,逐步萎缩,但仍保留着小规模的生产能力。前苏联在 70年代初开始研制粘胶基炭纤维,目前无论是质量、产量、品种和应用都居世界之首。当前 世界上研究和生产粘胶基炭纤维的主要国家有俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、美国、印度和中 国,粘胶基炭纤维总产量仅占世界炭纤维总量V/的1%左右。
  生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆,我国则 以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液,用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗 和浸渍催化剂后,再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制 造粘胶基炭纤维的重要工序,是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。
  纤维素的基本链节单元是β-D-葡萄糖,通过1,4-苷键相连接成线型大分子。它的结 构单元中有三个羟基,即一个伯羟基和两个仲羟基,分别在6.2.3三个碳原子上,赋予其较 强的吸水(湿)性,而1,4-苷键则是热裂(解)的基础。在热处理过程中,未脱掉羟基的链节 转化为左旋葡萄糖,进一步再转化为焦油;脱掉羟基的链节则向碳四残链(片)转化, 进一步 转化为乱层石墨结构。浸渍催化剂处理后,由于可降低热解活化能,强化了脱除羟基过程, 从而抑制了左旋葡萄糖的生成,有利于提高炭化收率和粘胶基炭纤维的性能。目前,新的催 化体系、高效催化体系和功能催化体系仍在继续研究,一旦有所突破将促进粘胶基炭纤维的 发展。
  粘胶基炭纤维在结构和性能上有许多独道之处,其它种类炭纤维无法与其比拟,因而 不 会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在:比重小,一般比PAN基、沥青基小15%左右, 所制复合材料的结构轻量化效果更显著;属于难石墨化炭,类似玻璃炭,层间距d002大,石墨微晶不发达,排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大,属于大伸长型炭纤维,韧性好,易深加工;碱、碱土金属含量低,抗氧化和热稳定好, 耐 烧蚀;它由天然纤维素转化而来,生物相容性好,这也是其它类型炭纤维无法与其比拟的。 由于粘胶基炭纤维具有上述特性,在某些领域得到广泛应用。
  粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面:(1)战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶 炭 纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔(防)热材料,利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特 性和酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能,两者的性能叠加,使其复合材料的 综合性能优异无比,成为当今仍是不可取代的防热材料。美国和俄罗斯仍保留有年产百吨级 粘胶基炭纤维的生产能力,原因就在于此。(2)隔热保温材料。材料的热导率与其密度成正 比,低密度的粘胶炭纤维赋予其优异的隔热保温性能。此外,炭材料靠晶格波传热,它的La 较小,也使其具有隔热保温性能。软式和硬式炭毡作为隔热保温材料已得到广泛应用。(3) 各类加热器。利用粘胶基炭纤维的导电性和柔软可加工性来制造各类加热器材。炭纤维、炭 带、炭布和炭纸都可作为发热元件,可与橡胶、塑料、无机绝缘材料 复合制造各种形状、不同功率、不同用途的加热器材。俄罗斯在这方面的应用开发相当成功 ,值得我们借鉴。(4)医用生物材料。利用粘胶基炭纤维与生物的相容性制造医用生物材 料,如医用电极和探头、韧带,骨夹板和假骨。值得一提的是外伤包扎带(绷带),已在俄罗 斯等国得到实际应用,是值得研制和推广的项目。此外,粘胶基炭纤维经活化处理后可制得 活性炭纤维,柔软性和可深加工性也是无比优异的。
  粘胶基炭纤维能否东山再起?取决于它的系统工程创新。