【成果介绍】宁波材料所高性能碳纤维及其复合材料团队科研成果手册——民用腈纶碳纤维

　　中国科学院宁波材料所高性能碳纤维及其复合材料团队（原中国科学院宁波材料所特种纤维事业部，以下简称“宁波材料所碳纤维团队”）成立于2008年，专注于高性能碳纤维国产化技术研发，经过十余年发展，团队依托发改委国家工程实验室、发改委碳纤维检测表征平台、浙江省工程实验室等平台形成了具有完全自主知识产权的三大领域技术体系——

　　高性能碳纤维制备技术：团队拥有发改委碳纤维制备技术国家工程实验室、高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室（研究中心）等平台，已先后突破国产T800级、T1000级高强中模碳纤维关键制备技术，国产M40J、M50J、M55J、M60J、M65J级高强高模碳纤维关键制备技术，以及国产M30X、M40X、M50X、M55X型新一代高强高模高延伸碳纤维关键技术。

　　高性能纤维检测表征技术：团队拥有国家发改委碳纤维检测表征平台、中国化学纤维工业协会“高性能纤维制备及表征检测（宁波）平台”等，建立健全了高性能碳纤维检测专业化检测体系，开发了涵盖碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等多种纤维检测方法，为国内数十家企事业单位和科研院校提供检测表征服务。

　　纤维预浸工艺与加工技术：团队拥有专业性的高性能纤维预浸工艺加工与生产平台，可开展各种型号碳纤维预浸工艺评价及生产服务，基于不同领域对高端超薄预浸料的需求，2024年1月该平台成功开发出两款CNI QM40（M40J级）以及CNI QM55（M55J级）高模碳纤维超薄预浸料，形成批量化生产能力，此外，还可以提供各类复合材料的结构设计、分析与加工等服务。

　　除了上述技术以外，宁波材料所碳纤维团队为了满足用户需求还开发了低成本腈纶基碳纤维、镀金属碳纤维、耐高温热塑性上浆剂、原丝油剂等一系列技术产品，以下是关于民用腈纶碳纤维技术的介绍。

　　一、技术背景

　　碳纤维通常使用前驱体纤维经由高度可控的热裂解制备而成，而前驱体纤维的种类十分有限，目前已成熟化的前驱体主要包括黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈（PAN）纤维，由于PAN纤维制备的碳纤维具有更加优异的机械性能，目前占全球碳纤维市场已超过95%。

　　与其他前驱体相比，商品化民用腈纶纤维（又称纺织品级PAN纤维，Tex-PAN纤维）具有成本低廉、性能优异特性，使其成为碳纤维用前驱体纤维的合适选择之一。

　　但是由于民用腈纶缺少反应初始化共聚单体，致使纤维在热稳定过程中放热反应难以调节，从而导致纤维发生熔融甚至燃烧。

　　Zoltek公司PX35型碳纤维通过采用民用腈纶纤维作为前驱体，并结合高通量工艺制备而成，从而使其成为目前商品化碳纤维中附加值最高的碳纤维，但作为公司技术秘密，其技术路线始终无法得知。

　　二、技术特点

　　宁波材料所碳纤维团队于2013年便开展低成本碳纤维关键技术的研发，并围绕市售民用腈纶为原料开发碳纤维领域进行了大量研究工作，在本团队早期开发的一种采用腈纶纤维制备碳纤维的方法（CN104775187A）中，通过使用有机胺类改性剂对腈纶纤维浸渍改性，降低了腈纶热稳定化反应的起始温度，提高了预氧化工艺的稳定性，制备了腈纶基碳纤维，但未实现连续化生产。

　　经过大量研究与探索，团队通过改性剂种类及活性基团的优选，对腈纶纤维浸渍改性后，显著降低了腈纶纤维在热稳定化阶段环化反应的起始温度，大幅减少反应释放热量，实现了低成本碳纤维的连续化生产。

（图：宁波材料所以民用腈纶制备得到碳纤维）

　　三、核心专利与合作方式

　　发明专利CN 114941188 A：一种腈纶纤维连续化制备碳纤维的方法（已授权，授权日2024年4月26日）

　　专利发明人：张永刚、郭梅、钱鑫、钟俊俊

　　本发明公开了一种腈纶纤维连续化制备碳纤维的方法，通过采用特定溶液浸渍腈纶纤维，能够有效降低预氧化炉内化学反应的起始温度，大幅减少反应放出热量，促使反应放热更加平缓，防止纤维因瞬时快速放热而烧断等，且腈纶纤维在改性溶液中浸渍时间短，能够实现碳纤维的连续化生产，显著降低生产成本，在低成本碳纤维工业化生产领域具有潜在重要意义。

　　合作方式：

　　技术开发、技术转让

　　联系方式：

　　金老师：jinlu@nimte.ac.cn

　　(来源：中国科学院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队)