Włókno węglowe, znane jako król nowych materiałów XXI wieku, to jasna perła wśród materiałów.Włókno węglowe (CF) to rodzaj włókna nieorganicznego o zawartości węgla przekraczającej 90%.Włókna organiczne (włókna na bazie wiskozy, smoły, poliakrylonitrylu itp.) są poddawane pirolizie i karbonizacji w wysokiej temperaturze, tworząc szkielet węglowy.
Jako nowa generacja włókien wzmocnionych, włókno węglowe ma doskonałe właściwości mechaniczne i chemiczne.Ma nie tylko nieodłączne cechy materiałów węglowych, ale także miękkość i przetwarzalność włókna tekstylnego.Dlatego jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, sprzęcie energetycznym, transporcie, sporcie i rekreacji
Lekka waga: jako nowy, strategiczny materiał o doskonałych parametrach, gęstość włókna węglowego jest prawie taka sama jak gęstość magnezu i berylu, czyli mniej niż 1/4 gęstości stali.Zastosowanie kompozytu z włókna węglowego jako materiału konstrukcyjnego może zmniejszyć ciężar konstrukcji o 30–40%.
Wysoka wytrzymałość i wysoki moduł: wytrzymałość właściwa włókna węglowego jest 5 razy większa niż stali i 4 razy większa niż stopu aluminium;Moduł właściwy jest 1,3-12,3 razy większy niż w przypadku innych materiałów konstrukcyjnych.
Mały współczynnik rozszerzalności: współczynnik rozszerzalności cieplnej większości włókien węglowych jest ujemny w temperaturze pokojowej, 0 przy 200-400 ℃ i tylko 1,5 przy mniej niż 1000 ℃ × 10-6/K, niełatwy do rozszerzania i odkształcania ze względu na wysoką pracę temperatura.
Dobra odporność na korozję chemiczną: włókno węglowe ma wysoką zawartość czystego węgla, a węgiel jest jednym z najbardziej stabilnych pierwiastków chemicznych, co zapewnia jego bardzo stabilne działanie w środowisku kwaśnym i zasadowym, z którego można uzyskać wszelkiego rodzaju chemiczne produkty antykorozyjne.
Silna odporność na zmęczenie: struktura włókna węglowego jest stabilna.Według statystyk sieci polimerowej, po milionach cykli testu zmęczenia naprężeniowego, współczynnik zachowania wytrzymałości kompozytu wynosi nadal 60%, podczas gdy stali wynosi 40%, aluminium 30%, a tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym tylko 20%. % – 25%.
Kompozyt z włókna węglowego to ponowne wzmocnienie włókna węglowego.Choć włókno węglowe może być stosowane samodzielnie i pełnić określoną funkcję, jest to przecież materiał kruchy.Dopiero połączenie go z materiałem matrycy w celu utworzenia kompozytu z włókna węglowego może zapewnić lepszą grę jego właściwościom mechanicznym i przenosić większe obciążenia.
Włókna węglowe można klasyfikować według różnych wymiarów, takich jak rodzaj prekursora, metoda produkcji i wydajność
W zależności od rodzaju prekursora: na bazie poliakrylonitrylu (Pan), na bazie paku (izotropowy, mezofazowy);Baza wiskozowa (baza celulozowa, baza wiskozowa).Wśród nich włókno węglowe na bazie poliakrylonitrylu (Pan) zajmuje pozycję głównego nurtu, a jego produkcja stanowi ponad 90% całkowitej produkcji włókien węglowych, podczas gdy włókno węglowe na bazie wiskozy stanowi mniej niż 1%.
Zgodnie z warunkami i metodami produkcji: włókno węglowe (800-1600 ℃), włókno grafitowe (2000-3000 ℃), włókno z węgla aktywnego, włókno węglowe hodowane w fazie gazowej.
Zgodnie z właściwościami mechanicznymi można go podzielić na typ ogólny i typ o wysokiej wydajności: wytrzymałość włókna węglowego typu ogólnego wynosi około 1000 MPa, a moduł około 100 GPa;Typ o wysokiej wydajności można podzielić na typ o wysokiej wytrzymałości (wytrzymałość 2000 mPa, moduł 250 gpa) i model o wysokiej wytrzymałości (moduł 300 gpa lub więcej), wśród których wytrzymałość większa niż 4000 mpa nazywana jest również typem o bardzo wysokiej wytrzymałości, a moduł większy niż 450 gpa to nazywany modelem ultrawysokim.
W zależności od wielkości holu można go podzielić na mały hol i duży hol: małe włókno węglowe to głównie 1K, 3K i 6K na początkowym etapie i stopniowo rozwija się w 12K i 24K, które jest stosowane głównie w lotnictwie i sporcie i tereny rekreacyjne.Włókna węglowe powyżej 48K są zwykle nazywane dużymi włóknami węglowymi, w tym 48K, 60K, 80K itp., które są stosowane głównie w dziedzinach przemysłowych.
Wytrzymałość na rozciąganie i moduł rozciągania to dwa główne wskaźniki służące do oceny właściwości włókna węglowego.Na tej podstawie Chiny ogłosiły w 2011 roku krajową normę dla włókna węglowego na bazie PAN (GB / t26752-2011). Jednocześnie, ze względu na absolutną wiodącą przewagę Toray w światowym przemyśle włókien węglowych, większość krajowych producentów również przyjmuje standard klasyfikacji Toray jako odniesienie.
1.2 Wysokie bariery przynoszą wysoką wartość dodaną.Udoskonalenie procesu i realizacja produkcji masowej może znacznie obniżyć koszty i zwiększyć wydajność
1.2.1 bariera techniczna w branży jest wysoka, produkcja prekursorów stanowi rdzeń, a kluczem jest karbonizacja i utlenianie
Proces produkcji włókna węglowego jest złożony i wymaga wysokiego sprzętu i technologii.Kontrola precyzji, temperatury i czasu każdego ogniwa będzie miała ogromny wpływ na jakość produktu końcowego.Włókno węglowe poliakrylonitrylowe stało się obecnie najpowszechniej stosowanym włóknem węglowym o największej wydajności ze względu na stosunkowo prosty proces przygotowania, niskie koszty produkcji i wygodną utylizację trzech odpadów.Główny surowiec, propan, może być wytwarzany z ropy naftowej, a łańcuch przemysłu włókien węglowych PAN obejmuje kompletny proces produkcyjny, od energii pierwotnej po zastosowanie w terminalu.
Po przygotowaniu propanu z ropy naftowej, w drodze selektywnego katalitycznego odwodornienia (PDH) propanu otrzymano propylen;
Akrylonitryl otrzymano przez amoksydację propylenu.Prekursor poliakrylonitrylu (Pan) otrzymano w wyniku polimeryzacji i przędzenia akrylonitrylu;
Poliakrylonitryl jest wstępnie utleniany, karbonizowany w niskiej i wysokiej temperaturze w celu otrzymania włókna węglowego, które można przetworzyć na tkaninę z włókna węglowego i prepreg z włókna węglowego do produkcji kompozytów z włókna węglowego;
Włókno węglowe łączy się z żywicą, ceramiką i innymi materiałami, tworząc kompozyty z włókna węglowego.Wreszcie produkty końcowe do dalszych zastosowań otrzymuje się w różnych procesach formowania;
Jakość i poziom wydajności prekursora bezpośrednio determinują ostateczną wydajność włókna węglowego.Dlatego poprawa jakości roztworu przędzalniczego i optymalizacja czynników formowania prekursorów stają się kluczowymi punktami przygotowania wysokiej jakości włókna węglowego.
Według „Badań nad procesem produkcji prekursora włókna węglowego na bazie poliakrylonitrylu” proces przędzenia obejmuje głównie trzy kategorie: przędzenie na mokro, przędzenie na sucho i przędzenie na sucho na mokro.Obecnie do produkcji prekursora poliakrylonitrylu w kraju i za granicą stosuje się głównie przędzenie na mokro i na sucho na mokro, wśród których najczęściej stosowane jest przędzenie na mokro.
Przędzenie na mokro najpierw wytłacza roztwór przędzalniczy z otworu dyszy przędzalniczej, a roztwór przędzalniczy wchodzi do kąpieli koagulacyjnej w postaci małego przepływu.Mechanizm przędzenia roztworu przędzalniczego poliakrylonitrylu polega na tym, że istnieje duża różnica pomiędzy stężeniem DMSO w roztworze przędzalniczym i kąpieli koagulacyjnej, a także duża różnica pomiędzy stężeniem wody w kąpieli koagulacyjnej i roztworze poliakrylonitrylu.Pod wpływem oddziaływania dwóch powyższych różnic stężeń ciecz zaczyna dyfundować w dwóch kierunkach, a na koniec skrapla się we włókna w wyniku przenoszenia masy, przenoszenia ciepła, ruchu równowagi fazowej i innych procesów.
Podczas produkcji prekursora resztkowa ilość DMSO, wielkość włókien, wytrzymałość monofilamentu, moduł, wydłużenie, zawartość oleju i skurcz wrzącej wody stają się kluczowymi czynnikami wpływającymi na jakość prekursora.Biorąc za przykład resztkową ilość DMSO, ma ona wpływ na pozorne właściwości prekursora, stan przekroju poprzecznego i wartość CV końcowego produktu z włókna węglowego.Im niższa pozostała ilość DMSO, tym wyższa wydajność produktu.W produkcji DMSO usuwa się głównie poprzez pranie, dlatego ważnym ogniwem staje się kontrolowanie temperatury, czasu prania, ilości odsolonej wody i ilości cykli prania.
Wysokiej jakości prekursor poliakrylonitrylowy powinien charakteryzować się następującymi cechami: dużą gęstością, wysoką krystalicznością, odpowiednią wytrzymałością, kołowym przekrojem poprzecznym, mniejszą liczbą wad fizycznych, gładką powierzchnią oraz jednolitą i gęstą strukturą rdzenia naskórkowego.
Kluczem jest kontrola temperatury karbonizacji i utleniania.Karbonizacja i utlenianie to istotny etap wytwarzania produktów końcowych z włókna węglowego z prekursora.Na tym etapie należy dokładnie kontrolować dokładność i zakres temperatur, w przeciwnym razie znacząco wpłynie to na wytrzymałość na rozciąganie produktów z włókna węglowego, a nawet doprowadzi do pęknięcia drutu
Wstępne utlenianie (200-300 ℃): w procesie wstępnego utleniania prekursor PAN jest powoli i łagodnie utleniany poprzez przyłożenie pewnego napięcia w atmosferze utleniającej, tworząc dużą liczbę struktur pierścieniowych na bazie prostego łańcucha pan, tak aby osiągnąć cel polegający na wytrzymaniu obróbki w wyższej temperaturze.
Karbonizacja (maksymalna temperatura nie niższa niż 1000℃): proces karbonizacji należy prowadzić w atmosferze obojętnej.We wczesnym etapie karbonizacji łańcuch pan pęka i rozpoczyna się reakcja sieciowania;Wraz ze wzrostem temperatury reakcja rozkładu termicznego zaczyna uwalniać dużą liczbę drobnocząsteczkowych gazów i zaczyna tworzyć się struktura grafitu;Kiedy temperatura dalej rosła, zawartość węgla gwałtownie wzrosła i zaczęło tworzyć się włókno węglowe.
Grafityzacja (temperatura obróbki powyżej 2000℃): grafityzacja nie jest procesem niezbędnym do produkcji włókna węglowego, ale procesem opcjonalnym.Jeśli oczekuje się wysokiego modułu sprężystości włókna węglowego, konieczna jest grafityzacja;Jeśli oczekuje się dużej wytrzymałości włókna węglowego, grafityzacja nie jest konieczna.W procesie grafityzacji wysoka temperatura sprawia, że włókno tworzy rozwiniętą strukturę siatki grafitowej, a struktura ta jest integrowana poprzez ciągnienie, aby uzyskać produkt końcowy.
Wysokie bariery techniczne nadają produktom końcowym dużą wartość dodaną, a cena kompozytów lotniczych jest 200 razy wyższa niż surowego jedwabiu.Ze względu na dużą trudność przygotowania włókna węglowego i złożony proces, im dalsze produkty, tym wyższa wartość dodana.Zwłaszcza w przypadku wysokiej klasy kompozytów z włókna węglowego stosowanych w przemyśle lotniczym, ponieważ dalsi klienci mają bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące ich niezawodności i stabilności, cena produktu również wykazuje wielokrotny geometryczny wzrost w porównaniu ze zwykłym włóknem węglowym.
Czas publikacji: 22 lipca 2021 r