聚丙烯腈分子链中含有大量氰基（-C≡N），这些氰基在后续的预氧化、碳化过程中，能通过环化、脱氢等反应，形成稳定的六元环结构，并最终生成高度取向的石墨微晶，赋予碳纤维优异的力学性能。可以说，PAN原丝的质量，直接决定了碳纤维的微观结构和最终性能。 而纺丝，就是给这些PAN分子链“排兵布阵”的关键一步。三大纺丝工艺大比拼：湿法、干法与熔融制备PAN原丝主要有三种工艺：湿法纺丝、干法纺丝和熔融纺丝。它们各有特点，也各有限制。1. 湿法纺丝：传统艺能，稳扎稳打概念：湿法纺丝，顾名思义，就是在凝固浴中进行的纺丝过程。我们将PAN聚合物溶解在溶剂（如二甲基甲酰胺DMF、二甲基亚砜DMSO、硫氰酸钠水溶液等）中形成纺丝原液，然后通过喷丝孔挤出，进入凝固浴中。在凝固浴中，溶剂与非溶剂（通常是水或水与溶剂的混合物）进行交换，使聚合物凝固形成纤维。原理：湿法纺丝的核心是液-液相分离凝固。当纺丝原液进入凝固浴时，溶剂迅速扩散到凝固浴中，同时凝固浴中的非溶剂进入纤维内部，导致聚合物浓度局部升高，从而发生相分离和凝固。这个过程是一个非平衡热力学过程，凝固速度、凝固浴温度、浓度梯度等都会影响纤维的微观结构。由于凝固过程相对缓慢且可控，有利于分子链的充分取向和缺陷的减少。实际判断标准：凝固浴配方：溶剂与非溶剂的比例、温度直接影响凝固速率和纤维致密性。喷丝孔设计：影响初始纤维截面形状和后续拉伸性能。拉伸倍数：湿法纺丝通常在凝固浴中和洗涤过程中进行多次拉伸，这是提高分子取向的关键。差异：湿法纺丝是目前制备高性能碳纤维原丝的主流工艺。它能够获得高强度、高模量、低缺陷的PAN原丝，为后续碳化提供优质的“胚子”。缺点是工艺流程较长，设备投入大，并且会产生废液，需要环保处理。2. 干法纺丝：效率担当，更环保？概念：干法纺丝是将聚合物溶液通过喷丝孔挤出，进入热空气或惰性气体中。溶剂在热气流中迅速挥发，聚合物凝固成纤维。原理：干法纺丝是热空气/气体对流蒸发凝固。聚合物分子链在溶剂挥发的同时逐渐靠近并形成固体纤维。这个过程的特点是溶剂挥发速度快，凝固迅速。判断标准：溶剂挥发速率：影响纤维的致密性和孔洞缺陷。热气流温度与流速：决定溶剂蒸发效率和纤维成型速度。纺丝液浓度：影响纺丝的稳定性。应用差异：干法纺丝工艺流程相对湿法纺丝更短，溶剂可以回收利用，环境友好性好。但由于溶剂挥发迅速，纤维内部容易形成孔洞和缺陷，分子链取向度相对湿法纺丝较低。因此，干法纺丝通常用于制备一些对力学性能要求不那么极致的PAN纤维，例如部分民用纺织品等，或者通过后期特殊的后处理来弥补缺陷。3. 熔融纺丝：绿色未来，挑战与机遇并存概念：熔融纺丝是将聚合物加热熔融成粘流态，然后通过喷丝孔挤出，在空气中冷却凝固成纤维。原理：熔融纺丝是热熔体冷却凝固。聚合物在高温下以熔体形式被拉伸，分子链在外力作用下取向，然后通过冷却迅速固化。判断标准：熔点和热稳定性：PAN是热敏性聚合物，熔融纺丝要求其在熔点附近有足够的热稳定性，不发生降解或交联。熔体粘度：影响纺丝的可纺性和纤维均匀性。冷却速率：影响纤维的结晶度和微观结构。应用差异：熔融纺丝工艺流程最短，无需使用溶剂，是最环保、成本最低的纺丝方式。然而，PAN聚合物存在熔点高且在熔融温度下易分解的特性，这是熔融纺丝PAN原丝的最大技术瓶颈。传统PAN难以直接熔融纺丝。虽然近年来通过共聚改性、添加增塑剂等手段，PAN的熔融纺丝研究取得了一些进展，但目前仍主要处于实验室研究阶段，大规模工业化生产高性能碳纤维原丝仍面临巨大挑战。
