《聚丙烯腈基碳纖維》新舊標準比較解析

1 引言

聚丙烯腈碳纖維具有高比強度、高比模量、耐疲勞、耐腐蝕、導電和熱膨脹系數小等一系列優異性能[1]，以聚丙烯腈碳纖維為增強體的先進復合材料是引領結構材料革命的典型代表，是關系國家戰略安全的軍民兩用材料，已成為高新武器裝備的主要物質基礎，也是支撐中國制造2025的關鍵基礎材料，還具有帶動相關戰略性新興產業快速發展的作用；高性能碳纖維的發展長期受到黨和國家領導人的高度重視[2]。

本世紀以來，我國碳纖維產業實現了從無到有、從小到大的突破，2005年，得益于國防需求的強勁應用牽引，國產碳纖維工程化、產業化技術發展迅速，各種規格型號的碳纖維產品不斷研制成功[3]。為規范國產碳纖維產品生產與應用設計，2011年我國制定發布了首個碳纖維產品標準GB/T 26752—2011《聚丙烯腈基碳纖維》（以下簡稱“舊標準”）。該標準的實施對國產碳纖維的技術發展、生產及應用發揮了重要作用。隨著技術進步和產業發展，到2016年底，我國不僅形成了2萬噸左右的碳纖維生產能力，碳纖維產品系列也不斷完善，高強、高強中模、高模、高模高強四大系列產品日漸豐富，在傳統的小絲束（1K～12K）碳纖維產品發展的同時，24K及以上大絲束碳纖維制備也形成了一定的產業化能力。隨著碳纖維產業化發展提速，碳纖維應用推廣與材料設計對國產碳纖維的產品標準化提出了越來越高的要求，與之相比，現行的標準內容存在比較大的缺失，如產品的品種規格、性能指標、命名規則等已不能滿足國產碳纖維生產與應用現狀急需修訂[4]。GB/T 26752—2020《聚丙烯腈基碳纖維》（以下簡稱“新標準”）于2020年3月6日發布，實施時間為2021年2月1日。新標準由中國建筑材料工業聯合會提出，全國纖維增強塑料標準化技術委員會（SAC/TC 39）歸口，規定了范圍、規范性引用文件、術語和定義、分類和標記、要求、試驗方法、檢驗規則、包裝、標志、運輸、貯存。

本文通過將新舊標準對比解析，明確標準修訂的主要內容，指導用戶全面而科學理解新標準，準確并積極使用新標準，引導碳纖維生產企業產品標準化和規范化，引領中國碳纖維行業向更高水平發展，參與國際碳纖維競爭；同時指導上下游產業用戶或配套企業科學使用新標準，做大做好碳纖維上下游關鍵配套材料如上漿劑等的國產化突破與質量穩定，促進碳纖維及其復合材料制品等全產業鏈的健康發展。

2 主要變化

2.1 增加了規范性引用文件

新標準增加兩份規范性引用文件，均為試驗方法文件，分別為GB/T 29761 《碳纖維 浸潤劑含量的測定》和GB/T 30019《碳纖維 密度的測定》。試驗方法直接采用國家標準，補充完善了檢測方法，并進一步規范了試驗標準化，同時促進了現有標準的使用。

2.2 增加了術語和定義

新標準增加了“有捻纖維”“無捻纖維”“解捻纖維”的定義，彌補了舊標準中無相關術語的不足，解決了技術人員在使用碳纖維時找不到定義的困擾。

2.3 修訂了分類和標記

新標準標記中增加了溶劑分類和工藝分類，即標記由力學性能分類、溶劑分類、工藝分類、絲束規格、加捻情況、上漿劑分類、上漿劑含量和標準編號等8部分內容組成。其中溶劑分類分為4種，工藝分類2種。

溶劑分類和紡絲工藝分類的增加，是新標準的一個重要變化，使得標記表達更直觀，同時與國內整體格局緊密結合，充分體現了中國碳纖維技術水平的進步。對于聚丙烯腈基碳纖維的生產，不同溶劑類型，碳纖維的性能會有明顯不同，其后期應用也有所不同[5]。截至2018年，碳纖維生產廠家已經裝備運行的企業有26家，其中16家生產原絲的企業中，13家采用二甲基亞砜技術，2家采用硫氰酸鈉技術，1家采用二甲基乙酰胺技術。現在國內的主流技術是二甲基亞砜，代表企業如威海拓展、江蘇恒神、中復神鷹等。為給將來新技術留有空間，新標準增加了其他溶劑分類。對于工藝分類，國際碳纖維巨頭日本、美國等碳纖維原絲紡絲工藝基本以濕法和干濕法為主，我國國內聚丙烯腈基碳纖維生產企業的主流生產工藝，對于高強型碳纖維，也是以濕法工藝為基礎，對于高強中模型碳纖維，國內具備產業化能力的碳纖維生產企業為數不多，典型代表如威海拓展、中復神鷹、江蘇恒神，均可采用濕法及干濕法等兩種工藝；對于高模型碳纖維以及高強高模型碳纖維，理論上也是濕法和干濕法工藝均可采用。近幾年，隨著碳纖維生產技術的快速發展，相繼有中復神鷹、威海拓展、江蘇恒神、山西煤炭化學研究所等4家企業通過技術攻關與研發，實現了高強中模型碳纖維千噸級干噴濕紡技術，并通過技術驗收。新標準將工藝分為濕法和干濕法兩種，與我國現有碳纖維發展水平緊密結合。

近年隨著碳纖維應用拓寬，熱塑性復合材料以其易成型、可循環利用及生產周期短、可設計性自由度大等優點，成為研究熱點[6]。結合國內碳纖維上漿劑的研究與發展趨勢，新標準上漿劑分類增加適用于熱固性和熱塑性的聚酰亞胺樹脂類型，為給其他類型上漿劑留出發展空間，增加“其他”分類。上漿劑含量分類一是新增上漿劑含量為0，為部分科研領域用戶無漿碳纖維提供標準，二是新增上漿劑含量≥2.5%，為24K、48K等大絲束碳纖維的工業應用提供分類依據。

2.4 增加了力學性能分類

新標準的核心變化內容是增加了碳纖維的力學性能分類及其規格，以及其所對應的性能指標范圍。力學性能分類的增加，尤其是高強型碳纖維以及高強高模型碳纖維的增加，既包含了我國已有的新型號高性能碳纖維，體現了我國碳纖維產業發展的最新成果，同時又包含了在未來一段時間內會相繼問世的新型號高性能碳纖維，表明該標準具有一定的先進性、前瞻性和引領性。新標準中力學性能分類等級可與世界標桿日本東麗的產品等級相對應，充分體現了標準的國際高度與國際先進性。力學性能分類中拉伸強度方向和拉伸彈性模量方向均有分類增加，具體如表1，且部分力學性能分類中增加了絲束規格，具體如表2。絲束規格有所增加，增加的主要依據是國內主要碳纖維生產企業的現有產品絲束規格的種類，以及未來碳纖維產業的發展趨勢，尤其是24K、48K等大絲束在工業中的應用占比呈現逐年增加的趨勢。

2.5 修訂了性能指標

新標準長度偏差為正偏差，確保用戶的使用長度。

在表2性能指標中，力學性能類型根據表1力學性能類型分類的規定對拉伸強度和拉伸彈性模量進行13種組合，并明確各力學性能類型包含的各種絲束規格所對應的物理性能指標范圍和力學性能指標范圍。由于高強中模型碳纖維QZ6535和QZ7035，以及高強高模型碳纖維QM3570等3種分類，國內尚無批量生產，沒有足夠的數據支撐，故表2沒有列出。對于具體性能指標，新標準拉伸強度以500MPa劃為一檔，拉伸彈性模量以50GPa劃為一檔，斷裂伸長率和含碳量取消上限值。線密度主要覆蓋了國內主要碳纖維生產企業的產品數據，包含濕法和干濕法兩種生產工藝，其中位值與國際慣例東麗等標桿企業的線密度標準值一致，公差帶結合了舊標準制定。按照GB/T 3362—2017《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》中8.3斷裂伸長率的規定，斷裂伸長率由拉伸強度和拉伸彈性模量計算得到，表2中斷裂伸長率為計算值。因為拉伸強度和拉伸彈性模量都已經規定上限值和下限值，斷裂伸長率自然也等于有了數據范圍的上限值和下限值，但為了用戶使用，新標準斷裂伸長率規定了下限值。密度指標采取中位值，公差帶統一為±0.02。含碳量的數據范圍在原有基礎上取消上限值。

表1 力學性能分類新舊標準比較

表2 性能指標絲束規格新舊標準比較

2.6 修訂了試驗方法

新標準增加長度偏差，長度用計米器測量。密度試驗方法舊標準中引用GB/T 3362中附錄C，GB/T 3362于2017年換版后取消了原附錄中密度的測定方法，因此新標準直接采標GB/T 30019《碳纖維密度的測定》，其中規定了3種方法：A液體置換法、B浮沉法、C密度梯度柱法。上漿劑含量舊標準按附錄B，新標準直接采標GB/T 29761《碳纖維 浸潤劑含量的測定》，其中包括3種方法：方法A索式萃取法，方法B 硫酸和雙氧水混合溶液消解法，方法C高溫分解法。直接采用現有國家標準，試驗方法更加完善與規范，用戶選擇更多。力學性能試驗舊標準引用GB/T 3362，GB/T 3362—2005范圍中規定“本標準適用于1K至12K碳纖維，12K以上的碳纖維復絲可參照使用”，因此該標準范圍等于覆蓋了全部絲束規格的碳纖維。但GB/T 3362于2017年換版后，范圍定義為“本標準適用于1K～24K碳纖維”，對于絲束規格為24K以上碳纖維，GB/T 3362—2017未規定，因此新標準1K至12K拉伸強度和拉伸彈性模量及斷裂伸長率按GB/T 3362的規定進行，其他絲束規格參照GB/T 3362進行。

2.7 包裝、標志、運輸和貯存

新標準將碳纖維紙筒的要求在正文中予以規定，取消原附錄D。

2.8 保質期

新標準對保質期取消了最多不超過5年的要求，延長了碳纖維的使用壽命。

3 結語

對新舊標準比較解析，新標準首先在分類和標記中增加了溶劑分類和工藝分類，該內容的修訂與現行我國碳纖維行業發展情況緊密相連，更加精細的劃分有利于用戶更直觀、更專業、更準確地使用不同型號的碳纖維；其次，新標準中增加了部分力學性能分類及其性能指標，新型號的增加，補充了舊標準的缺失，同時對我國碳纖維的高速發展起到了及時的引領和規范作用，既體現了標準的前瞻性和先進性，也展示了我國碳纖維發展的最新水平；最后，碳纖維的測試方法直接引用現有標準，進一步規范了碳纖維的測試評價體系。新標準的實施將對健康發展我國高性能碳纖維技術與產業、更好服務國防建設、支撐中國制造2025等國民經濟建設具有重要意義。