Hluboká analýza průmyslu uhlíkových vláken: vysoký růst, široký prostor nových materiálů a vysoce kvalitní trať

Uhlíkové vlákno, známé jako král nových materiálů 21. století, je jasnou perlou materiálů.Karbonové vlákno (CF) je druh anorganického vlákna s více než 90% obsahem uhlíku.Organická vlákna (vlákna na bázi viskózy, smoly, polyakrylonitrilová vlákna atd.) jsou pyrolyzována a karbonizována při vysoké teplotě za vzniku uhlíkové páteře.

Jako nová generace vyztužených vláken má uhlíkové vlákno vynikající mechanické a chemické vlastnosti.Má nejen vlastní vlastnosti uhlíkových materiálů, ale má také měkkost a zpracovatelnost textilních vláken.Proto je široce používán v letectví, energetice, dopravě, sportu a v oblasti volného času

Nízká hmotnost: jako strategický nový materiál s vynikajícím výkonem je hustota uhlíkových vláken téměř stejná jako u hořčíku a berylia, méně než 1/4 hustoty oceli.Použití kompozitu z uhlíkových vláken jako konstrukčního materiálu může snížit konstrukční hmotnost o 30 % – 40 %.

Vysoká pevnost a vysoký modul: měrná pevnost uhlíkových vláken je 5krát vyšší než u oceli a 4krát vyšší než u slitiny hliníku;Specifický modul je 1,3-12,3 násobek ostatních konstrukčních materiálů.

Malý koeficient roztažnosti: koeficient tepelné roztažnosti většiny uhlíkových vláken je negativní při pokojové teplotě, 0 při 200-400 ℃ a pouze 1,5 při méně než 1000 ℃ × 10-6 / K, není snadné expandovat a deformovat kvůli vysoké práci teplota.

Dobrá chemická odolnost proti korozi: uhlíkové vlákno má vysoký obsah čistého uhlíku a uhlík je jedním z nejstabilnějších chemických prvků, což má za následek jeho velmi stabilní výkon v kyselém a alkalickém prostředí, který lze vyrobit do všech druhů chemických antikorozních produktů.

Silná odolnost proti únavě: struktura uhlíkových vláken je stabilní.Podle statistik polymerní sítě je po milionech cyklů testu na únavu materiálu míra zachování pevnosti kompozitu stále 60 %, zatímco u oceli je 40 %, hliníku 30 % a plastu vyztuženého skelnými vlákny pouze 20 %. % – 25 %.

Kompozit z uhlíkových vláken je opětovné zpevnění uhlíkových vláken.Přestože uhlíková vlákna mohou být použita samostatně a mají specifickou funkci, je to přeci jen křehký materiál.Pouze když je kombinován s materiálem matrice za vzniku kompozitu z uhlíkových vláken, může poskytnout lepší vůli svým mechanickým vlastnostem a unést větší zatížení.

Uhlíková vlákna lze klasifikovat podle různých rozměrů, jako je typ prekurzoru, výrobní metoda a výkon

Podle typu prekurzoru: na bázi polyakrylonitrilu (Pan), na bázi smoly (izotropní, mezofáze);Viskózový základ (celulózový základ, viskózový základ).Mezi nimi uhlíkové vlákno na bázi polyakrylonitrilu (Pan) zaujímá hlavní pozici a jeho produkce tvoří více než 90 % celkového uhlíkového vlákna, zatímco uhlíková vlákna na bázi viskózy tvoří méně než 1 %.

Podle výrobních podmínek a metod: uhlíkové vlákno (800-1600 ℃), grafitové vlákno (2000-3000 ℃), aktivní uhlíkové vlákno, uhlíkové vlákno pěstované v páře.

Podle mechanických vlastností jej lze rozdělit na obecný typ a vysoce výkonný typ: pevnost uhlíkového vlákna obecného typu je asi 1000 MPa a modul je asi 100 GPa;Vysoce výkonný typ lze rozdělit na typ s vysokou pevností (pevnost 2000 mPa, modul 250 gpa) a vysoký model (modul 300 gpa nebo více), mezi nimiž se pevnost větší než 4 000 mpa nazývá také typ s velmi vysokou pevností a modul větší než 450 gpa je tzv. ultra-vysoký model.

Podle velikosti vleku jej lze rozdělit na malý vlek a velký vlek: malá vlečná uhlíková vlákna mají v počáteční fázi hlavně 1K, 3K a 6K a postupně se vyvinula na 12K a 24K, která se používá hlavně v letectví, sportu a volnočasové obory.Uhlíková vlákna nad 48K se obvykle nazývají velká koudelová uhlíková vlákna, včetně 48K, 60K, 80K atd., která se používají hlavně v průmyslových oblastech.

Pevnost v tahu a modul v tahu jsou dva hlavní indexy pro hodnocení vlastností uhlíkových vláken.Na základě toho Čína v roce 2011 vyhlásila národní standard pro uhlíková vlákna na bázi PAN (GB / t26752-2011). Současně, vzhledem k absolutní vedoucí výhodě společnosti Toray v globálním průmyslu uhlíkových vláken, většina domácích výrobců také přejímá klasifikační standard Toray jako reference.

1.2 vysoké bariéry přinášejí vysokou přidanou hodnotu.Zlepšení procesu a realizace hromadné výroby může výrazně snížit náklady a zvýšit efektivitu

1.2.1 technická bariéra průmyslu je vysoká, výroba prekurzorů je jádrem a karbonizace a oxidace jsou klíčem

Výrobní proces uhlíkových vláken je složitý, což vyžaduje vysoké vybavení a technologie.Kontrola přesnosti, teploty a času každého spoje výrazně ovlivní kvalitu konečného produktu.Polyakrylonitrilové uhlíkové vlákno se stalo v současnosti nejpoužívanějším a nejvýkonnějším uhlíkovým vláknem díky relativně jednoduchému procesu přípravy, nízkým výrobním nákladům a pohodlné likvidaci tří odpadů.Hlavní surovina propan může být vyrobena ze surové ropy a průmyslový řetězec uhlíkových vláken PAN zahrnuje kompletní výrobní proces od primární energie až po koncovou aplikaci.

Poté, co byl ze surové ropy připraven propan, byl propylen získán selektivní katalytickou dehydrogenací (PDH) propanu;

Akrylonitril byl získán amoxidací propylenu.Prekurzor polyakrylonitrilu (Pan) byl získán polymerací a zvlákňováním akrylonitrilu;

Polyakrylonitril je předoxidován, karbonizován při nízké a vysoké teplotě, aby se získalo uhlíkové vlákno, ze kterého lze vyrobit tkaninu z uhlíkových vláken a prepreg z uhlíkových vláken pro výrobu kompozitů z uhlíkových vláken;

Uhlíkové vlákno se kombinuje s pryskyřicí, keramikou a dalšími materiály za vzniku kompozitů z uhlíkových vláken.Nakonec se konečné produkty pro následné aplikace získávají různými formovacími procesy;

Kvalita a úroveň výkonu prekurzoru přímo určují konečný výkon uhlíkových vláken.Proto se zlepšování kvality zvlákňovacího řešení a optimalizace faktorů tváření prekurzoru stávají klíčovými body přípravy vysoce kvalitních uhlíkových vláken.

Podle „Výzkumu výrobního procesu prekurzoru uhlíkových vláken na bázi polyakrylonitrilu“ zahrnuje proces spřádání především tři kategorie: mokré spřádání, suché spřádání a suché mokré spřádání.Mokré zvlákňování a suché zvlákňování za mokra se v současnosti používá především k výrobě prekurzoru polyakrylonitrilu doma i v zahraničí, z nichž je nejrozšířenější mokré zvlákňování.

Mokré zvlákňování nejprve vytlačuje zvlákňovací roztok z otvoru zvlákňovací trysky a zvlákňovací roztok vstupuje do koagulační lázně ve formě malého toku.Zvlákňovací mechanismus zvlákňovacího roztoku polyakrylonitrilu spočívá v tom, že existuje velká mezera mezi koncentrací DMSO ve zvlákňovacím roztoku a koagulační lázni a také existuje velká mezera mezi koncentrací vody v koagulační lázni a roztoku polyakrylonitrilu.Při vzájemném působení výše uvedených dvou koncentračních rozdílů začne kapalina difundovat ve dvou směrech a nakonec kondenzuje na vlákna přenosem hmoty, přenosem tepla, pohybem fázové rovnováhy a dalšími procesy.

Při výrobě prekurzoru se zbytkové množství DMSO, velikost vláken, pevnost monofilu, modul, tažnost, obsah oleje a smrštění vařící vodou stávají klíčovými faktory ovlivňujícími kvalitu prekurzoru.Vezmeme-li jako příklad zbytkové množství DMSO, má vliv na zjevné vlastnosti prekurzoru, stav průřezu a CV hodnotu konečného produktu z uhlíkových vláken.Čím nižší je zbytkové množství DMSO, tím vyšší je účinnost produktu.Při výrobě se DMSO odstraňuje hlavně praním, takže jak řídit teplotu praní, čas, množství odsolené vody a množství pracího cyklu se stává důležitým článkem.

Vysoce kvalitní polyakrylonitrilový prekurzor by měl mít následující vlastnosti: vysoká hustota, vysoká krystalinita, odpovídající pevnost, kruhový průřez, méně fyzikálních defektů, hladký povrch a jednotná a hustá struktura jádra kůže.

Klíčem je regulace teploty karbonizace a oxidace.Karbonizace a oxidace je základním krokem při výrobě finálních produktů z uhlíkových vláken z prekurzoru.V tomto kroku by měla být přesně řízena přesnost a rozsah teplot, jinak bude výrazně ovlivněna pevnost v tahu výrobků z uhlíkových vláken a dokonce dojde k přetržení drátu.

Předoxidace (200-300 ℃): v procesu předoxidace se prekurzor PAN pomalu a mírně oxiduje působením určitého napětí v oxidační atmosféře, čímž se vytvoří velké množství kruhových struktur na bázi pánvového přímého řetězce, takže dosáhnout účelu vydržet ošetření vyšší teplotou.

Karbonizace (maximální teplota ne nižší než 1000 ℃): proces karbonizace by měl být prováděn v inertní atmosféře.V rané fázi karbonizace se přeruší pánvový řetězec a začíná síťovací reakce;Se zvýšením teploty se při reakci tepelného rozkladu začne uvolňovat velké množství plynů s malými molekulami a začne se vytvářet grafitová struktura;Když se teplota dále zvýšila, obsah uhlíku se rychle zvýšil a uhlíkové vlákno se začalo tvořit.

Grafitizace (teplota zpracování nad 2000 ℃): grafitizace není nezbytný proces pro výrobu uhlíkových vláken, ale volitelný proces.Pokud se očekává vysoký modul pružnosti uhlíkových vláken, je nutná grafitizace;Pokud se očekává vysoká pevnost uhlíkových vláken, grafitizace není nutná.V procesu grafitizace vysoká teplota způsobuje, že vlákno tvoří rozvinutou grafitovou síťovinu a struktura je integrována tažením, aby se získal konečný produkt.

Vysoké technické bariéry poskytují navazujícím výrobkům vysokou přidanou hodnotu a cena leteckých kompozitů je 200krát vyšší než cena surového hedvábí.Vzhledem k vysoké náročnosti přípravy uhlíkových vláken a složitému procesu platí, že čím více navazují produkty, tím vyšší je přidaná hodnota.Zejména u špičkových kompozitů z uhlíkových vláken používaných v leteckém průmyslu, protože následní zákazníci mají velmi přísné požadavky na jejich spolehlivost a stabilitu, vykazuje cena produktu také geometrický mnohonásobný růst ve srovnání s běžnými uhlíkovými vlákny.


Čas odeslání: 22. července 2021