一、聚丙烯腈原絲的預(yù)氧化工藝

        從PAN原絲制造碳纖維步是大分子腈?zhèn)然沫h(huán)化。PAN原絲在預(yù)氧化爐處理，介質(zhì)為空氣中，溫度為200~300℃。通過預(yù)氧化，PAN大分子鏈轉(zhuǎn)化為環(huán)形梯狀結(jié)構(gòu)，使其在高溫炭化時不熔，不燃，保持纖維的形態(tài)。預(yù)氧化時加一定的張力于PAN原絲上。預(yù)氧化反應(yīng)所需的時間是纖維直徑的函數(shù)，直徑越大，所需時間就越長。預(yù)氧化過程中，產(chǎn)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，纖維顏色由白經(jīng)黃色、棕色，再轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，主要反?yīng)有以下幾種。

(1) 環(huán)化反應(yīng):

(2) 脫氫反應(yīng):

(3) 氧化反應(yīng)：預(yù)氧化反應(yīng)在空氣中進(jìn)行，氧可直接被結(jié)合到纖維結(jié)構(gòu)中去，生成羥基、羧基等基團(tuán)，也生成環(huán)氧型結(jié)構(gòu)。

        預(yù)氧化工藝條件和設(shè)備設(shè)計應(yīng)滿足PAN原絲的上述化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，對環(huán)化放熱反應(yīng)應(yīng)有良好的溫度控制和空氣風(fēng)量、風(fēng)溫的測試。氧化反應(yīng)受擴(kuò)散作用制約，為了得到優(yōu)質(zhì)的碳纖維，應(yīng)確保PAN原絲有時間達(dá)到要求的預(yù)氧化程度和均勻性。預(yù)氧化工藝是一個使線型PAN大分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱梯形結(jié)構(gòu)的預(yù)氧化絲的復(fù)雜過程，它受多種因素的影響，諸如原絲結(jié)構(gòu)、預(yù)氧化溫度、時間、升溫速度、預(yù)加張力等。

二、預(yù)氧化絲的碳化工藝

        預(yù)氧化絲在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)入炭化爐，爐內(nèi)溫度800~1500℃，纖維產(chǎn)生炭化反應(yīng)。梯形大分子發(fā)生交聯(lián)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌憝h(huán)狀結(jié)構(gòu)。纖維中碳的含量從60%左右提高至92%以上，形成梯形六元環(huán)連接的亂層狀石墨片結(jié)構(gòu)。

        炭化過程中，在溫度較低時，大分子結(jié)構(gòu)中的氫以H₂0、NH₃、HCN和CH₄的形式從纖維中分離出來，氮主要以HCN、NH₃的形式分離。在高溫時，除了氫、氮以上述形式分離外，還以分子態(tài)氫和氮的形式分離，同時氧也以H₂0、CO₂和CO的形式分離，這些熱解產(chǎn)物的瞬間排除是炭化工藝的技術(shù)關(guān)鍵。炭化爐的設(shè)計和工藝要使分解產(chǎn)物順利排出，否則會造成纖維表面缺陷，影響碳纖維的質(zhì)量。和預(yù)氧化一樣，纖維炭化時也會有物理和化學(xué)的收縮，所以也對纖維施加適量的張力進(jìn)行拉伸，以提高大分子主鏈方向的擇優(yōu)取向。預(yù)氧化絲的炭化一般要通過低溫炭化爐在300~800℃溫度下進(jìn)行，再經(jīng)高溫炭化爐處理，通過1000~1600℃的溫度遞增達(dá)到大分子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

為了獲得更高模量的碳纖維，可將碳纖維再經(jīng)過接近3000℃的高溫?zé)崽幚?，也稱石墨化處理，使纖維的含碳量增加至99%以上，以改進(jìn)纖維的結(jié)晶在大分子軸向的有序和定向排列。石墨化工藝要隔斷氧氣，爐子中氣體只能選擇氬氣或氦氣，不用氮?dú)?，因?yàn)榈?000℃以上會與碳反應(yīng)生成。

三、碳纖維的后處理

        碳纖維主要作為纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用，碳纖維增強(qiáng)樹脂的強(qiáng)度取決于該纖維與基體樹脂之間的黏合力，所以碳纖維需要經(jīng)過表面處理，以改善纖維表面形態(tài)，增加表面活性，加強(qiáng)與基體樹脂界面的復(fù)合性能，提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。

        碳纖維的表面處理方法很多，有表面氧化法(如陽極電解氧化法、臭氧氧化法和等離子氧化法)、表面涂層法(如清洗與涂層、氧化與涂層)、表面化學(xué)法(如次氯酸鈉、硝酸等溶液處理)，還有一些其他方法。雖然表面處理的作用機(jī)理還不十分清楚，但處理后在碳纖維表面產(chǎn)生了活性點(diǎn)，較好地改善了纖維與基體樹脂的黏合力。經(jīng)表面處理的碳纖維與樹脂復(fù)合，其層間剪切強(qiáng)度可提高至80~120MPa，未經(jīng)表面處理，其復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度只有50~60MPa，達(dá)不到使用的要求。

        經(jīng)表面處理后的碳纖維還要上漿處理，用改性環(huán)氧樹脂類的溶液作為上漿劑，避免碳纖維在后道加工中起毛而損傷。