粘膠基炭纖維
時間:2005-08-23
18世紀中期，英國人約瑟夫.斯旺(J.Swon) 和美國 人愛迪生 (E.Tdisin) 利用棉、竹等天然纖維素經過一系列后處理制造炭絲，試制電燈的 燈絲。世界上第一盞電燈的燈絲就是用愛迪生制造出的炭絲。之后，由于發明了鎢絲的制造 方法，它更有效地將電能轉換為光能，且使用壽命長，一直沿用至今。從此，炭絲的研制工 作停頓下來，無人問津。但是，斯旺和愛迪生發明的粘膠炭絲制造方法為后人繼續研制粘膠 基炭絲奠定了基礎，他們無愧是研制炭纖維的先驅。
本世紀50年代初，隨著冷戰和新一輪軍備競賽開始，航天航空和軍事工業等尖端技術得到 迅猛發展，人們尋求具有高比強度、高比模量和耐燒蝕等特性的新型材料，它為炭纖維的 發展提供了良機。炭纖維的研究與開發又引起各國的極大關注。1950年，美國帕斯空軍基地 開 始研制粘膠基炭纖維，與此同時美國聯合碳化物公司(UCC)也投入大量人力、物力和財力進 行開發，最早上市商品化炭纖維 Thornel-25就是該公司的第一代產品。50年代～60年代 ，是粘膠基炭纖維發展的鼎盛時期。之后，隨著PAN基、瀝青基炭纖維的相繼問世和強勁發 展，粘膠基炭纖維工業受到很大沖擊，逐步萎縮，但仍保留著小規模的生產能力。前蘇聯在 70年代初開始研制粘膠基炭纖維，目前無論是質量、產量、品種和應用都居世界之首。當前 世界上研究和生產粘膠基炭纖維的主要國家有俄羅斯、白俄羅斯、烏克蘭、美國、印度和中 國，粘膠基炭纖維總產量僅占世界炭纖維總量V/的1%左右。
生產粘膠基炭纖維的原料主要有木漿和棉漿。美國、俄羅斯和白俄羅斯采用木漿，我國則 以棉漿為主。天然纖維素漿粕配制成紡絲液，用濕法紡制成粘膠連續長絲。粘膠纖維經水洗 和浸漬催化劑后，再經預氧化和炭化工序就可轉化為炭纖維。浸漬催化劑和預氧化處理是制 造粘膠基炭纖維的重要工序，是由有機纖維粘膠絲轉化為無機炭纖維的關鍵所在。
纖維素的基本鏈節單元是β-D-葡萄糖，通過1，4-苷鍵相連接成線型大分子。它的結 構單元中有三個羥基，即一個伯羥基和兩個仲羥基，分別在6.2.3三個碳原子上，賦予其較 強的吸水(濕)性，而1，4-苷鍵則是熱裂(解)的基礎。在熱處理過程中，未脫掉羥基的鏈節 轉化為左旋葡萄糖，進一步再轉化為焦油；脫掉羥基的鏈節則向碳四殘鏈(片)轉化， 進一步 轉化為亂層石墨結構。浸漬催化劑處理后，由于可降低熱解活化能，強化了脫除羥基過程， 從而抑制了左旋葡萄糖的生成，有利于提高炭化收率和粘膠基炭纖維的性能。目前，新的催 化體系、高效催化體系和功能催化體系仍在繼續研究，一旦有所突破將促進粘膠基炭纖維的 發展。
粘膠基炭纖維在結構和性能上有許多獨道之處，其它種類炭纖維無法與其比擬，因而 不 會被徹底淘汰出局。它的獨特性能主要表現在：比重小，一般比PAN基、瀝青基小15%左右， 所制復合材料的結構輕量化效果更顯著；屬于難石墨化炭，類似玻璃炭，層間距d002大，石墨微晶不發達，排列紊亂、取向度低、強度低、模量低、伸度大，屬于大伸長型炭纖維，韌性好，易深加工；堿、堿土金屬含量低，抗氧化和熱穩定好， 耐 燒蝕；它由天然纖維素轉化而來，生物相容性好，這也是其它類型炭纖維無法與其比擬的。 由于粘膠基炭纖維具有上述特性，在某些領域得到廣泛應用。
粘膠基炭纖維主要應用于以下幾個方面：(1)戰略武器方面的應用。美國和俄羅斯把粘膠 炭 纖維增強酚醛樹脂復合材料用于戰略武器的隔(防)熱材料，利用了粘膠基炭纖維耐燒蝕的特 性和酚醛樹脂殘碳量高、焦化強度高和發煙量少的性能，兩者的性能疊加，使其復合材料的 綜合性能優異無比，成為當今仍是不可取代的防熱材料。美國和俄羅斯仍保留有年產百噸級 粘膠基炭纖維的生產能力，原因就在于此。(2)隔熱保溫材料。材料的熱導率與其密度成正 比，低密度的粘膠炭纖維賦予其優異的隔熱保溫性能。此外，炭材料靠晶格波傳熱，它的La 較小，也使其具有隔熱保溫性能。軟式和硬式炭氈作為隔熱保溫材料已得到廣泛應用。(3) 各類加熱器。利用粘膠基炭纖維的導電性和柔軟可加工性來制造各類加熱器材。炭纖維、炭 帶、炭布和炭紙都可作為發熱元件，可與橡膠、塑料、無機絕緣材料 復合制造各種形狀、不同功率、不同用途的加熱器材。俄羅斯在這方面的應用開發相當成功 ，值得我們借鑒。(4)醫用生物材料。利用粘膠基炭纖維與生物的相容性制造醫用生物材 料，如醫用電極和探頭、韌帶，骨夾板和假骨。值得一提的是外傷包扎帶(繃帶)，已在俄羅 斯等國得到實際應用，是值得研制和推廣的項目。此外，粘膠基炭纖維經活化處理后可制得 活性炭纖維，柔軟性和可深加工性也是無比優異的。
粘膠基炭纖維能否東山再起?取決于它的系統工程創新。
