碳纤维行业150页深度研究报告：高端制造业换装首选材料(13)

粘胶纤维转化为碳纤维是十分复杂的物理化学反应,其脱水和热裂过程主要可 粗略地划为四个阶段：
第一阶段(25-150℃):主要脱掉物理吸附的水分。粘胶纤维物理吸附的水分 大约在 10%-14%之间,低温脱除掉这些水分有利于高温脱除结构水。
第二阶段(150-240℃):主要是分子结构内脱水,生成含有羟基、酮基、烯醇 基或羧基的链段(片)。
第三阶段(240-400℃):为激烈反应区,主要有两个竞争反应。一是,1,4-苷 键热裂生成脱水环,l,6-键脱水生成左旋葡萄糖,并在较高温下转化为焦油; 二是,脱水纤维素环进一步深层次地脱水生成脱水纤维素,环内热稳定性差 的 C-C 键和 C-O 键热裂生成碳四残链。
第四阶段(400-700℃):进行碳四残键的芳构化,缩聚为六碳原子的石墨层 片。当温度高于 700℃时,缩聚层面迅速增大,排列逐步有序化,转化为乱层 石墨结构。
强化脱除羟基是结构转化的关键。在纤维素的化学结构中有三个羟基、氧杂环 中氧原子和苷键氧含氧量高达 49.39%。在实际转化过程中，未脱水部分转化为左旋 葡萄糖及焦油，热裂而逸走的小分子挥发产物 CO、CO2、HCOOH、CH4等也会带走碳原 子。特别是左旋葡萄糖和焦油的生成不仅使碳收率降低，而且对纤维造成严重污染， 导致单纤维之间的粘连，碳化后变硬发脆和断丝。因此，如何有效地抑制左旋葡萄 糖的生成是一技术关键。
抑制左旋葡萄糖生成的关键是充分脱水。为使充分脱水，采用催化脱水剂是行 之有效的方法，也是目前生产粘胶基碳纤维普遍采用的方法。引入催化脱水剂的作 用主要是降低热解热以及使结构脱水、热解反应向低温侧移动，从而缓和了热解和 脱水反应，给生产工艺参数的控制带来许多方便。从这种意义上来讲粘胶纤维的催化脱水剂引入的作用类似 PAN 树脂的共聚引发单体（如衣康酸等）。
粘胶纤维生产碳纤维的工艺流程与 PAN 基碳纤维的流程相比增加了两段工序, 即水洗和催化浸渍。无疑,这将增大粘胶基碳纤维的生产成本。粘胶纤维经水洗和催 化浸渍后,再经预氧化和碳化工序就可转化为碳纤维。催化浸渍和预氧化处理是制造 粘胶基碳纤维的重要工序,是有机粘胶纤维转化为无机碳纤维的关键所在。
催化浸渍。催化浸渍主要是浸渍催化脱水剂。对无机催化脱水剂的浸渍量 一般为 20％-62％，有机催化脱水剂的浸渍量一般为 2%-20%。