Вуглецеве волокно, відоме як король нових матеріалів у 21 столітті, є яскравою перлиною серед матеріалів.Вуглецеве волокно (CF) - це різновид неорганічного волокна з вмістом вуглецю понад 90%.Органічні волокна (волокна на основі віскози, пеку, поліакрилонітрилу тощо) піддаються піролізу та карбонізації при високій температурі з утворенням вуглецевої основи.
Як нове покоління армованого волокна, вуглецеве волокно має чудові механічні та хімічні властивості.Він не тільки має властиві властивості вуглецевих матеріалів, але також має м’якість і здатність до обробки текстильного волокна.Тому він широко використовується в аерокосмічній галузі, енергетичному обладнанні, транспорті, спорті та відпочинку
Легка вага: щільність вуглецевого волокна, як стратегічного нового матеріалу з відмінними характеристиками, майже така ж, як у магнію та берилію, менше 1/4 щільності сталі.Використання композиту з вуглецевого волокна як конструкційного матеріалу може зменшити вагу конструкції на 30% - 40%.
Висока міцність і високий модуль: питома міцність вуглецевого волокна в 5 разів вище, ніж у сталі, і в 4 рази вище, ніж у алюмінієвого сплаву;Питомий модуль в 1,3-12,3 рази перевищує інші конструкційні матеріали.
Невеликий коефіцієнт розширення: коефіцієнт теплового розширення більшості вуглецевих волокон є від’ємним при кімнатній температурі, 0 при 200-400 ℃ і лише 1,5 при менш ніж 1000 ℃ × 10-6 / K, його важко розширити та деформувати через високу робочу силу. температура.
Гарна стійкість до хімічної корозії: вуглецеве волокно має високий вміст чистого вуглецю, а вуглець є одним із найстабільніших хімічних елементів, що призводить до його дуже стабільної роботи в кислотному та лужному середовищі, з якого можна виготовляти всі види хімічних антикорозійних продуктів.
Сильна стійкість до втоми: структура вуглецевого волокна стабільна.Згідно зі статистичними даними полімерної мережі, після мільйонів циклів випробування на втому під напругою коефіцієнт збереження міцності композиту все ще становить 60%, у той час як у сталі – 40%, алюмінію – 30%, а пластику, армованого скловолокном, – лише 20 % – 25%.
Композит з вуглецевого волокна - це повторне зміцнення вуглецевого волокна.Незважаючи на те, що вуглецеве волокно може використовуватися окремо та виконувати певну функцію, все-таки це крихкий матеріал.Лише тоді, коли він поєднується з матеріалом матриці для утворення композиту з вуглецевого волокна, він може покращити свої механічні властивості та витримувати більше навантажень.
Вуглецеві волокна можна класифікувати за різними розмірами, такими як тип прекурсора, спосіб виробництва та продуктивність
За типом прекурсора: на основі поліакрилонітрилу (Пан), на основі пеку (ізотропні, мезофазні);Віскозна основа (целюлозна основа, віскозна основа).Серед них вуглецеве волокно на основі поліакрилонітрилу (Pan) займає основну позицію, і його виробництво становить понад 90% від загального обсягу вуглецевого волокна, тоді як на вуглецеве волокно на основі віскози припадає менше 1%.
Відповідно до умов і методів виробництва: вуглецеве волокно (800-1600 ℃), графітове волокно (2000-3000 ℃), активоване вугільне волокно, вуглецеве волокно, вирощене паровою парою.
За механічними властивостями його можна розділити на загальний і високоефективний тип: міцність вуглецевого волокна загального типу становить близько 1000 МПа, а модуль становить близько 100 ГПа;Високоефективний тип можна розділити на високоміцний тип (міцність 2000 мПа, модуль 250 гПа) і високу модель (модуль 300 гПа або більше), серед яких міцність понад 4000 МПа також називається типом надвисокої міцності, а модуль більше 450 гПа є називається ультрависокою моделлю.
Відповідно до розміру буксирування, його можна розділити на малий буксир та великий буксир: малий буксир вуглецевого волокна в основному 1K, 3K та 6K на початковому етапі, і поступово розвинувся в 12K та 24K, який в основному використовується в аерокосмічній галузі, спорті та майданчики для відпочинку.Вуглецеві волокна вище 48K зазвичай називають великими вуглецевими волокнами, включаючи 48K, 60K, 80K тощо, які в основному використовуються в промислових галузях.
Міцність на розрив і модуль пружності на розрив є двома основними показниками для оцінки властивостей вуглецевого волокна.Виходячи з цього, у 2011 році Китай оприлюднив національний стандарт для вуглецевого волокна на основі PAN (GB / t26752-2011). У той же час, завдяки абсолютній провідній перевагі Toray у світовій промисловості вуглецевого волокна, більшість вітчизняних виробників також приймають класифікаційний стандарт Toray. як посилання.
1.2 високі бар'єри приносять високу додану вартість.Удосконалення процесу та реалізація масового виробництва може значно знизити витрати та підвищити ефективність
1.2.1 технічний бар'єр галузі високий, виробництво прекурсорів є основним, а карбонізація та окислення є ключовими
Процес виробництва вуглецевого волокна є складним, що вимагає високого обладнання та технологій.Контроль точності, температури та часу кожної ланки значно вплине на якість кінцевого продукту.Поліакрилонітрильне вуглецеве волокно стало найбільш широко використовуваним і найбільш продуктивним вуглецевим волокном на даний момент завдяки його відносно простому процесу приготування, низькій вартості виробництва та зручному видаленню трьох відходів.Основна сировина пропан може бути виготовлена з сирої нафти, а ланцюжок виробництва вуглецевого волокна PAN включає повний виробничий процес від первинної енергії до кінцевого застосування.
Після отримання пропану з сирої нафти пропілен був отриманий селективним каталітичним дегідруванням (PDH) пропану;
Акрилонітрил отримували аммокислением пропілену.Попередник поліакрилонітрилу (Pan) був отриманий шляхом полімеризації та прядіння акрилонітрилу;
Поліакрилонітрил попередньо окислюють, карбонізують при низькій і високій температурі для отримання вуглецевого волокна, з якого можна зробити тканину з вуглецевого волокна та препрег з вуглецевого волокна для виробництва композитів з вуглецевого волокна;
Вуглецеве волокно поєднується зі смолою, керамікою та іншими матеріалами для утворення композитів з вуглецевого волокна.Нарешті, кінцеві продукти для подальшого застосування отримують різними процесами формування;
Якість і рівень продуктивності прекурсора безпосередньо визначають кінцеві характеристики вуглецевого волокна.Тому підвищення якості прядильного розчину та оптимізація факторів формування прекурсорів стають ключовими моментами отримання високоякісного вуглецевого волокна.
Відповідно до «Дослідження процесу виробництва прекурсора вуглецевого волокна на основі поліакрилонітрилу», процес прядіння в основному включає три категорії: мокре прядіння, сухе прядіння та сухе мокре прядіння.В даний час мокре прядіння та сухе мокре прядіння в основному використовуються для виробництва прекурсора поліакрилонітрилу вдома та за кордоном, серед яких мокре прядіння є найбільш широко використовуваним.
Вологе прядіння спочатку екструдує прядильний розчин з отвору фільєри, і прядильний розчин надходить у коагуляційну ванну у вигляді невеликого потоку.Механізм прядіння поліакрилонітрильного прядильного розчину полягає в тому, що існує великий розрив між концентрацією ДМСО у прядильному розчині та коагуляційній ванні, а також існує великий розрив між концентрацією води в коагуляційній ванні та поліакрилонітрильному розчині.Під дією вищевказаних двох різниць концентрацій рідина починає дифундувати в двох напрямках і, нарешті, конденсується в нитки через масообмін, теплообмін, рух фазової рівноваги та інші процеси.
У виробництві прекурсора залишкова кількість ДМСО, розмір волокна, міцність моноволокна, модуль, подовження, вміст олії та усадка у киплячій воді стають ключовими факторами, що впливають на якість прекурсора.Взявши, наприклад, залишкову кількість ДМСО, вона впливає на очевидні властивості прекурсора, стан поперечного перерізу та значення CV кінцевого продукту з вуглецевого волокна.Чим менша залишкова кількість ДМСО, тим вище ефективність продукту.У виробництві ДМСО в основному видаляється шляхом промивання, тому те, як контролювати температуру прання, час, кількість знесоленої води та кількість циклу прання стає важливою ланкою.
Високоякісний попередник поліакрилонітрилу повинен мати такі характеристики: висока щільність, висока кристалічність, відповідна міцність, круглий поперечний переріз, менше фізичних дефектів, гладка поверхня та однорідна та щільна структура ядра оболонки.
Контроль температури карбонізації та окислення є ключовим.Карбонізація та окислення є важливим етапом у виробництві кінцевих продуктів вуглецевого волокна з прекурсора.На цьому етапі точність і діапазон температури повинні точно контролюватися, інакше міцність на розрив виробів з вуглецевого волокна буде значно вплинута і навіть призведе до обриву дроту
Попереднє окислення (200-300 ℃): у процесі попереднього окислення попередник PAN повільно та м’яко окислюється шляхом застосування певної напруги в окислювальній атмосфері, утворюючи велику кількість кільцевих структур на основі прямого ланцюга каструлі, щоб отримати досягнення мети витримувати обробку при вищих температурах.
Карбонізація (максимальна температура не нижче 1000 ℃): процес карбонізації слід проводити в інертній атмосфері.На ранній стадії карбонізації ланцюг пан розривається і починається реакція зшивання;З підвищенням температури реакція термічного розкладання починає вивільняти велику кількість малих молекул газів, і починає формуватися структура графіту;При подальшому підвищенні температури вміст вуглецю швидко зріс і почало формуватися вуглецеве волокно.
Графітізація (температура обробки вище 2000 ℃): графітизація не є обов’язковим процесом для виробництва вуглецевого волокна, а необов’язковим процесом.Якщо очікується високий модуль пружності вуглецевого волокна, необхідна графітизація;Якщо очікується висока міцність вуглецевого волокна, графітизація не потрібна.У процесі графітизації висока температура змушує волокно утворювати розвинену структуру графітової сітки, і структура інтегрується шляхом витягування, щоб отримати кінцевий продукт.
Високі технічні бар'єри надають продуктам, що випускаються, високу додану вартість, а ціна авіаційних композитів у 200 разів вища, ніж шовку-сирцю.Через високу складність підготовки вуглецевого волокна та складний процес, чим більше продуктів, тим вище додана вартість.Особливо для композитів з вуглецевого волокна високого класу, які використовуються в аерокосмічній сфері, оскільки наступні клієнти мають дуже суворі вимоги до їх надійності та стабільності, ціна продукту також показує геометричне кратне зростання порівняно зі звичайним вуглецевим волокном.
Час публікації: 22 липня 2021 р