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PAN基碳纤维聚合原料纯化的困境突破与效能提升研究

一、引言

1.1研究背景与意义

聚丙烯腈（PAN）基碳纤维作为一种高性能纤维材料，以其卓越的综合性能在众多领域展现出无可替代的优势。在航空航天领域，碳纤维因其高强度、低密度的特性，成为制造飞行器结构部件的理想材料，能够有效减轻飞行器重量，提升飞行性能和燃油效率，如波音、空客等飞机制造商在飞机结构中大量应用碳纤维增强塑料，显著降低机身重量，减少燃料消耗。在汽车工业中，PAN基碳纤维的应用有助于实现汽车轻量化，提高汽车的动力性能和燃油经济性，同时增强汽车的安全性和操控稳定性。在体育休闲领域，碳纤维广泛用于制造高端体育器材，如高尔夫球杆、网球拍、自行车等，提升器材的性能和品质，为运动员提供更好的竞技体验。在建筑工程领域，碳纤维复合材料可用于结构加固和修复，提高建筑物的抗震、抗风能力，延长建筑物的使用寿命。

PAN基碳纤维的制备过程中，聚合原料的质量对最终产品的性能起着决定性作用。聚合原料中不可避免地存在着各种无机和有机杂质，这些杂质会对聚合反应以及碳纤维的性能产生极大的负面影响。无机杂质方面，金属离子如碱金属是碳的氧化催化剂，在PAN原丝高温处理时会逸出，留下孔隙缺陷，而过渡金属在高温下与碳形成共熔体或金属碳化物，破坏碳纤维结晶的连续性，铁离子更是聚合体系的高效阻聚剂。有机杂质会在聚合过程中破坏树脂结构的规整性，高温炭化时分解产生大量气体，使纤维产生孔隙缺陷，还会生成焦油状物质粘附在纤维表面，阻碍炭化过程中的质能传递。为了保证原丝质量，进而提升碳纤维的性能，在聚合前对主要聚合原料如丙烯腈和二甲基亚砜进行纯化至关重要。

当前，PAN基碳纤维的生产成本较高，限制了其更广泛的应用和市场拓展。聚合原料的纯化过程复杂且成本高昂，成为碳纤维生产成本居高不下的重要因素之一。传统的纯化方法效率低下，难以满足大规模工业化生产的需求。因此，研究开发低成本、高效率的聚合原料纯化技术，对于降低PAN基碳纤维的生产成本、提高生产效率、增强产品市场竞争力具有重要的现实意义。这不仅有助于推动PAN基碳纤维在现有应用领域的进一步普及和深入发展，还能够开拓新的应用市场，为相关产业的发展注入新的活力。同时，也有助于提升我国在高性能纤维材料领域的自主创新能力和国际竞争力，促进相关产业的技术升级和可持续发展。

1.2国内外研究现状

在PAN基碳纤维聚合原料纯化的研究领域，国内外学者已取得了一定的成果，同时也存在一些亟待解决的问题。

国外在PAN基碳纤维聚合原料纯化技术方面起步较早，发展较为成熟。在丙烯腈纯化方面，早期多采用精馏法，通过精确控制蒸馏温度和压力，利用丙烯腈与杂质挥发度的差异实现分离。但该方法能耗高，且对设备要求严格，设备投资和运行成本高昂。随着技术发展，吸附法逐渐受到关注，如使用特定的吸附剂，通过物理吸附或化学吸附作用，选择性地吸附丙烯腈中的杂质，具有操作简单、能耗低的优势。但吸附剂的选择和再生是关键问题，吸附剂的吸附容量和选择性会影响纯化效果，而吸附剂的再生成本和再生效率也会对整体工艺的经济性产生影响。膜分离技术也在丙烯腈纯化中有所应用，利用具有特殊选择性的分离膜，依据分子大小和性质的差异，使丙烯腈与杂质分离，具有高效、节能、无相变的特点。然而，膜的制备成本高，使用寿命有限，且容易受到污染导致分离性能下降。

在二甲基亚砜（DMSO）纯化方面，国外研究主要集中在溶剂萃取法和离子交换法。溶剂萃取法利用DMSO与杂质在不同溶剂中溶解度的差异，通过多次萃取实现分离。但该方法需要使用大量的萃取剂，后续萃取剂的回收和处理较为复杂，增加了生产成本。离子交换法通过离子交换树脂与DMSO中的金属离子等杂质进行交换反应，达到去除杂质的目的。但离子交换树脂的交换容量有限，需要定期再生或更换，且再生过程可能会产生废水等污染物。

国内在PAN基碳纤维聚合原料纯化技术的研究上也取得了一些进展。在丙烯腈纯化方面，一些研究通过改进精馏工艺，优化精馏塔的结构和操作参数，提高了丙烯腈的纯度和生产效率。例如，采用新型高效填料和精密控制仪表，实现了精馏过程的精细化控制，减少了能耗和杂质残留。同时，国内也在积极探索吸附和膜分离等新技术的应用，研发适合丙烯腈纯化的新型吸附剂和分离膜。一些研究通过对吸附剂进行表面改性，提高了其对丙烯腈中特定杂质的吸附选择性和吸附容量；在膜分离方面，研究开发了具有高稳定性和选择性的复合膜，提高了膜的使用寿命和分离性能。

在DMSO纯化方面，国内学者对离子交换法进行了深入研究，通过筛选和优化离子交换树脂，提高了离子交换效率和树脂的使用寿命。一些研究还尝试将离子交换与其他方法相结合，如与膜过滤技术结合，先通过膜过滤去除大颗粒杂质，再利用离子交换树脂去除离子性杂质，