欧阳新峰;王芬;孙玉婷;陶珍珍;刘芳
【摘 要】系统分析了市面上常见的国内外碳纤维品种的综合性能,从力学性能、表观性能、纤维及灰分SEM形貌等方面对Toray、Toho Tenax、Aksaca、Hexcel、Hyosung、Umatex、Tairyfil、中复神鹰8家公司共18种碳纤维进行分析,并结合各产品标称值、上浆剂信息、纤维表面状态、灰分含量等比较了各种纤维特性,进一步明确了湿法碳纤维与干喷湿纺碳纤维在摩擦毛丝量、碳纤维灰分含量、纤维表面形貌等方面的差异与特点. 【期刊名称】《高科技纤维与应用》
【年(卷),期】2018(043)005
【总页数】10页(P48-57)
【关键词】碳纤维品种;力学性能;表观性能;形貌SEM
【作 者】欧阳新峰;王芬;孙玉婷;陶珍珍;刘芳
【作者单位】中国复合材料集团有限公司,北京 1000362;中复神鹰碳纤维有限责任公司,江苏 连云港 222069;中复神鹰碳纤维有限责任公司,江苏 连云港 222069;中国复合材料集团有限公司,北京 1000362;中复神鹰碳纤维有限责任公司,江苏 连云港 222069;中复神鹰碳纤维有限责任公司,江苏 连云港 222069
【正文语种】中 文
【中图分类】TB321
前言
新材料产业是当今世界各国重点发展的高新技术产业之一，碳纤维以其优异的综合性能被称为“新材料之王”，广泛应用于各行各业，正在改变人们的生活[1]。碳纤维按原材料分主要有聚丙烯腈基(PAN基)碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维三大类，目前世界PAN基碳纤维占全部碳纤维市场规模90%以上，其中24K及以下小丝束碳纤维占70%以上，而以东丽为代表的三家日本企业在全球小丝束碳纤维市场占据主导地位[2]。PAN基碳纤维工业中主要有湿法纺丝技术和干喷湿纺技术两种技术路线，干喷湿纺碳纤维约占24K及以下小丝束碳纤维总需求量的65%，正在成为碳纤维发展的趋势[3，4]。
本文综合对比了目前全球主要碳纤维生产企业的主要碳纤维品种，对比各碳纤维拉伸强度、杨氏模量、线密度、断裂伸长率、上浆剂含量等关键力学性能指标，并就宽度、硬度、摩擦系数、开纤性、耐磨性等表观性能进行了分析比较，结合扫描电镜进一步观察湿法碳纤维与干喷湿纺碳纤维及灰分的形貌特征，分析各个碳纤维企业主流碳纤维品种的综合性能特征，给碳纤维企业的技术和产品研发提供参考，对下游碳纤维应用提供对比和借鉴。
1 实验部分
1.1 试验材料
市售主要碳纤维品种见表1。
表1 主要碳纤维品种产品牌号简称厂家T700SC-12000-50C-韩T700S-12K-50C韩韩国TORAYT700SC-12000-50CT700S-12K-50CT700SC-12000-30ET700S-12K-30ET800HB-12000-50BT800H-12KT800SC-24000-10ET800S-24KM30SC-6000-50CM30S-6K日本TORAYUT500-12K-E30UT500-12KHTS40-12K-F13HTS40-12K日本TOHO TENAXA49-1
2K-D012A49-12KA42-12K-D012A42-12K土耳其AKSACAH3055SC10-12KH3055-12KH2550A10-12KH2550-12K韩国HYOSUNGTC35R-12K/1520756TC35R-12KTAIRYFILUMT45-12K-EPUMT45-12K俄罗斯UMATEXIM7-G-12K/6362-11LIM7-12K美国HEXCELSYT49S-12K-22F4/20171018SYT49S-12KSYT55S-12K-22F4/20170927SYT55S-12K-SYM30-12K-22F4/20160601SYM30-12K中复神鹰
2 测试表征
为避免环境中温湿度对测试结果的影响，测试过程控制测试温度25℃，环境湿度<40%。
2.1 力学性能测试
线密度、拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率依据国标GB/T 3362—2005进行测定。
2.2 纤维含胶量测定
按照国标GB/T 29761—2013中方法A索氏萃取法进行测定。
2.3 宽度测定
连续取纤维样品12段，每段20cm，取中测量宽度。
2.4 悬垂度测定
悬垂度即硬挺度，依据《碳纤维与石墨纤维》悬垂度的测试方法测定，并依据实际情况对拿掉支撑体后时间做出调整。
2.5 F/M摩擦系数测定
依据《碳纤维与石墨纤维》摩擦系数测定方法测定，并对绕过的金属棒根数做出调整，调整后测定更加方便省时，更利于生产检测。修正后计算公式如下：
μ=(1/π)×ln(T2/T1)
其中T1=100N。
碳纤维复合芯导线2.6 毛丝量测定
依据《碳纤维与石墨纤维》摩擦系数测定方法中方法(二)测定，并对碳纤维通过时间、速度、辊体构造进行了调整。
2.7 开纤性测定
按照图1装置，控制退丝架恒定张力，恒速运行，丝束运行稳定后，依次在A、B两点分别在线测量丝宽，B/A值即碳纤维的开纤性。
图1 碳纤维开纤性测试装置示意图
2.8 纤维及灰分SEM电镜
灰分按照标准QJ 2509—1993进行测定。将碳纤维及灰分经过处理后在KYKY-2800B型扫描电镜下观察，并测量纤维的直径。
2.9 ICP-AES法测定灰分的元素含量
采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定碳纤维灰分中元素含量，使用美国Agilent 725-ES ICP-OES仪器检测灰分中铝、钙、铜、铁、钾、镁、钠、磷、硅、锌共十种元素的含量。
3 结果讨论
3.1 碳纤维形貌特征及SEM照片
依据碳纤维品种的形貌SEM照片来判断，有4个厂家11个品种的碳纤维为干喷湿纺技术生产，5个厂家7个品种的碳纤维为湿法技术生产。表2中生产干喷湿纺碳纤维品种的企业主要有日本东丽、美国赫氏、中复神鹰、韩国晓星，这也是目前市面上大批量供应干喷湿纺碳纤维的四家企业，干喷湿纺碳纤维正逐渐占据全球24K及以下小丝束碳纤维的主要份额，成为碳纤维应用的发展趋势[5，6]。
对比干喷湿纺碳纤维和湿法碳纤维的灰分残留，11种干喷湿纺碳纤维的灰分含量在0.031%～0.150%之间，平均灰分含量为0.056%；7种湿法碳纤维的灰分含量在0.017%～0.920%之间，平均灰分含量为0.35%，见表2。灰分残留主要与使用油剂的种类和原丝油剂含量等有关。从统计均值上看，湿法碳纤维的灰分残留整体均值水平远高于干喷湿纺碳纤维，一方面可能是因为湿法纺丝原丝的含油率偏高以满足原丝蒸牵牵伸和预氧化工艺的要求；另一方面从干喷湿纺和湿法纺丝两种纺丝技术的差异推测，可能是因为湿法纺丝的纤维表面沟槽明显[7]，缺陷较多，原丝油剂在沟槽和缺陷中不容易脱落，其中的硅最终成为灰分残留的主要成分。干喷湿纺碳纤维表面光滑，油剂在碳化阶段容易脱落[8]；当前从图2的碳纤
维SEM照片中可以清晰地观察到干喷湿纺碳纤维和湿法碳纤维的表面状态，前者纤维表面光滑，后者纤维表面沟槽明显。
依据东丽产品标准将碳纤维分类对比，从表2数据统计看，T300级碳纤维(n=3)的纤维直径分布在6.38～7.87μm，均值为7.22μm；T700级碳纤维(n=8)的纤维直径分布在6.36～7.23μm，均值为6.70μm；T800级碳纤维(n=5)的纤维直径分布在4.67～6.04μm，均值为5.18μm。随着碳纤维力学性能的提升，碳纤维的直径呈现细旦化的特征，一方面是对原丝细旦化的要求，另一方面是细旦化对碳化工艺的要求。
表2 碳丝类型、丝束直径与灰分含量信息产品牌号按力学性能分级碳丝类型灰分(%)测量直径(μm)T700S-12K-50C-韩T700级干喷湿纺0.0366.59T700S-12K-50CT700级干喷湿纺0.0396.68T700S-12K-30ET700级干喷湿纺0.0317.23T800H-12KT800级湿纺0.3104.80T800S-24KT800级干喷湿纺0.0585.12M30S-6KM30级干喷湿纺0.0355.71UT500-12KT700级湿纺0.0176.45HTS40-12KT300级湿纺0.0216.38A49-12KT700级湿纺0.4016.38A42-12KT300级湿纺0.4777.40H3055-12KT800级干喷湿纺0.0606.04H2550-12KT700级干喷湿纺0.0936.36TC35R-12KT300级湿纺0.9207.87UMT45-
12KT700级湿纺0.3306.98IM7-12KT800级干喷湿纺0.1505.25SYT49S-12KT700级干喷湿纺0.0316.92SYT55S-12KT800级干喷湿纺0.0334.67SYM30-12KM30级干喷湿纺0.0386.22
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议