Uhlíkové vlákno, známe ako kráľ nových materiálov 21. storočia, je žiarivou perlou v materiáloch.Uhlíkové vlákno (CF) je druh anorganického vlákna s viac ako 90% obsahom uhlíka.Organické vlákna (vlákna na báze viskózy, smoly, vlákna na báze polyakrylonitrilu atď.) sa pyrolyzujú a karbonizujú pri vysokej teplote, čím sa vytvorí uhlíková kostra.
Ako nová generácia vystuženého vlákna má uhlíkové vlákno vynikajúce mechanické a chemické vlastnosti.Má nielen vlastné charakteristiky uhlíkových materiálov, ale má aj mäkkosť a spracovateľnosť textilného vlákna.Preto je široko používaný v leteckom priemysle, energetických zariadeniach, doprave, športe a vo voľnom čase
Nízka hmotnosť: ako strategický nový materiál s vynikajúcim výkonom je hustota uhlíkových vlákien takmer rovnaká ako hustota horčíka a berýlia, menej ako 1/4 hustoty ocele.Použitie kompozitu z uhlíkových vlákien ako konštrukčného materiálu môže znížiť konštrukčnú hmotnosť o 30 % – 40 %.
Vysoká pevnosť a vysoký modul: špecifická pevnosť uhlíkových vlákien je 5-krát vyššia ako u ocele a 4-krát vyššia ako u hliníkovej zliatiny;Špecifický modul je 1,3-12,3-násobok iných konštrukčných materiálov.
Malý koeficient rozťažnosti: koeficient tepelnej rozťažnosti väčšiny uhlíkových vlákien je negatívny pri izbovej teplote, 0 pri 200-400 ℃ a iba 1,5 pri menej ako 1000 ℃ × 10-6 / K, nie je ľahké expandovať a deformovať kvôli vysokej práci teplota.
Dobrá odolnosť proti chemickej korózii: uhlíkové vlákno má vysoký obsah čistého uhlíka a uhlík je jedným z najstabilnejších chemických prvkov, čo vedie k jeho veľmi stabilnému výkonu v kyslom a alkalickom prostredí, z ktorého možno vyrobiť všetky druhy chemických antikoróznych produktov.
Silná odolnosť proti únave: štruktúra uhlíkových vlákien je stabilná.Podľa štatistík polymérnej siete je po miliónoch cyklov skúšok napäťovej únavy miera zachovania pevnosti kompozitu stále 60%, zatiaľ čo u ocele je 40%, hliníka je 30% a plastu vystuženého sklenenými vláknami iba 20%. % – 25 %.
Kompozit z uhlíkových vlákien je opätovné spevnenie uhlíkových vlákien.Hoci uhlíkové vlákno môže byť použité samostatne a má špecifickú funkciu, je to napokon krehký materiál.Len keď sa skombinuje s materiálom matrice na vytvorenie kompozitu z uhlíkových vlákien, môže poskytnúť lepšiu vôľu svojim mechanickým vlastnostiam a uniesť viac zaťaženia.
Uhlíkové vlákna možno klasifikovať podľa rôznych rozmerov, ako je typ prekurzora, výrobná metóda a výkon
Podľa typu prekurzora: na báze polyakrylonitrilu (Pan), na báze smoly (izotropný, mezofázový);Základ viskózy (celulózový základ, viskózový základ).Medzi nimi uhlíkové vlákno na báze polyakrylonitrilu (Pan) zaberá hlavnú pozíciu a jeho produkcia predstavuje viac ako 90 % celkového uhlíkového vlákna, zatiaľ čo uhlíkové vlákno na báze viskózy predstavuje menej ako 1 %.
Podľa výrobných podmienok a metód: uhlíkové vlákno (800-1600 ℃), grafitové vlákno (2000-3000 ℃), aktívne uhlíkové vlákno, uhlíkové vlákno pestované v pare.
Podľa mechanických vlastností sa dá rozdeliť na všeobecný typ a vysokovýkonný typ: pevnosť uhlíkových vlákien všeobecného typu je asi 1000 MPa a modul je asi 100 GPa;Vysokovýkonný typ možno rozdeliť na typ s vysokou pevnosťou (pevnosť 2000 mPa, modul 250 gpa) a vysoký model (modul 300 gpa alebo viac), medzi ktorými sa pevnosť väčšia ako 4 000 mpa nazýva aj typ s ultra vysokou pevnosťou a modul väčší ako 450 gpa je nazývaný ultravysoký model.
Podľa veľkosti kúdele sa dá rozdeliť na malý kúdeľ a veľký kúdeľ: malé vlečné karbónové vlákno má v počiatočnom štádiu hlavne 1K, 3K a 6K a postupne sa vyvinulo na 12K a 24K, ktoré sa používa hlavne v leteckom priemysle, športe a voľnočasové oblasti.Uhlíkové vlákna nad 48 K sa zvyčajne nazývajú veľké ťažné uhlíkové vlákna vrátane 48 K, 60 K, 80 K atď., ktoré sa používajú hlavne v priemyselných oblastiach.
Pevnosť v ťahu a modul v ťahu sú dva hlavné indexy na hodnotenie vlastností uhlíkových vlákien.Na základe toho Čína v roku 2011 zverejnila národný štandard pre uhlíkové vlákna na báze PAN (GB / t26752-2011). Zároveň, vzhľadom na absolútnu vedúcu výhodu spoločnosti Toray v globálnom priemysle uhlíkových vlákien, väčšina domácich výrobcov tiež prijala klasifikačný štandard Toray ako referenciu.
1.2 vysoké bariéry prinášajú vysokú pridanú hodnotu.Zlepšenie procesu a realizácia hromadnej výroby môže výrazne znížiť náklady a zvýšiť efektivitu
1.2.1 technická bariéra priemyslu je vysoká, jadrom je výroba prekurzorov a kľúčom je karbonizácia a oxidácia
Proces výroby uhlíkových vlákien je zložitý, čo si vyžaduje vysoké vybavenie a technológiu.Kontrola presnosti, teploty a času každého spoja výrazne ovplyvní kvalitu konečného produktu.Polyakrylonitrilové uhlíkové vlákno sa stalo v súčasnosti najpoužívanejším a najvýkonnejším uhlíkovým vláknom vďaka relatívne jednoduchému procesu prípravy, nízkym výrobným nákladom a pohodlnej likvidácii troch odpadov.Hlavná surovina propán môže byť vyrobená zo surovej ropy a priemyselný reťazec uhlíkových vlákien PAN zahŕňa kompletný výrobný proces od primárnej energie až po konečnú aplikáciu.
Po príprave propánu zo surového oleja sa propylén získal selektívnou katalytickou dehydrogenáciou (PDH) propánu;
Akrylonitril sa získal amoxidáciou propylénu.Prekurzor polyakrylonitrilu (Pan) sa získal polymerizáciou a zvlákňovaním akrylonitrilu;
Polyakrylonitril je predoxidovaný, karbonizovaný pri nízkej a vysokej teplote, aby sa získalo uhlíkové vlákno, z ktorého sa dá vyrobiť tkanina z uhlíkových vlákien a predimpregnovaný laminát z uhlíkových vlákien na výrobu kompozitov z uhlíkových vlákien;
Uhlíkové vlákno je kombinované so živicou, keramikou a inými materiálmi, čím vznikajú kompozity z uhlíkových vlákien.Nakoniec sa konečné produkty pre následné aplikácie získavajú rôznymi formovacími procesmi;
Kvalita a úroveň výkonu prekurzora priamo určujú konečný výkon uhlíkových vlákien.Preto sa zlepšenie kvality spriadacieho riešenia a optimalizácia faktorov tvorby prekurzorov stávajú kľúčovými bodmi prípravy vysokokvalitného uhlíkového vlákna.
Podľa „Výskumu výrobného procesu prekurzora uhlíkových vlákien na báze polyakrylonitrilu“ proces spriadania zahŕňa najmä tri kategórie: mokré pradenie, suché pradenie a suché mokré pradenie.Mokré pradenie a suché mokré pradenie sa v súčasnosti používa hlavne na výrobu polyakrylonitrilového prekurzora doma iv zahraničí, z ktorých je mokré pradenie najpoužívanejšie.
Mokré zvlákňovanie najskôr vytláča zvlákňovací roztok z otvoru zvlákňovacej dýzy a zvlákňovací roztok vstupuje do koagulačného kúpeľa vo forme malého prietoku.Mechanizmus zvlákňovania polyakrylonitrilového zvlákňovacieho roztoku spočíva v tom, že existuje veľká medzera medzi koncentráciou DMSO v zvlákňovacom roztoku a koagulačnom kúpeli a tiež existuje veľká medzera medzi koncentráciou vody v koagulačnom kúpeli a roztoku polyakrylonitrilu.Pri interakcii vyššie uvedených dvoch koncentračných rozdielov začne kvapalina difundovať v dvoch smeroch a nakoniec kondenzuje na vlákna prenosom hmoty, prenosom tepla, pohybom fázovej rovnováhy a inými procesmi.
Pri výrobe prekurzora sa kľúčovými faktormi ovplyvňujúcimi kvalitu prekurzora stávajú zvyškové množstvo DMSO, veľkosť vlákna, pevnosť monofilu, modul, ťažnosť, obsah oleja a zmršťovanie vriacou vodou.Ak vezmeme ako príklad zvyškové množstvo DMSO, má vplyv na zjavné vlastnosti prekurzora, stav prierezu a CV hodnotu konečného produktu z uhlíkových vlákien.Čím nižšie je zvyškové množstvo DMSO, tým vyššia je účinnosť produktu.Pri výrobe sa DMSO odstraňuje hlavne praním, takže ako kontrolovať teplotu prania, čas, množstvo odsolenej vody a množstvo pracieho cyklu sa stáva dôležitým článkom.
Vysokokvalitný prekurzor polyakrylonitrilu by mal mať nasledujúce vlastnosti: vysoká hustota, vysoká kryštalinita, primeraná pevnosť, kruhový prierez, menej fyzikálnych defektov, hladký povrch a rovnomerná a hustá štruktúra jadra kože.
Kľúčom je kontrola teploty karbonizácie a oxidácie.Karbonizácia a oxidácia je základným krokom pri výrobe finálnych produktov z uhlíkových vlákien z prekurzora.V tomto kroku by mala byť presne kontrolovaná presnosť a rozsah teplôt, inak bude výrazne ovplyvnená pevnosť v ťahu výrobkov z uhlíkových vlákien a dokonca môže dôjsť k pretrhnutiu drôtu.
Predoxidácia (200 – 300 ℃): v procese predoxidácie sa prekurzor PAN pomaly a mierne oxiduje pôsobením určitého napätia v oxidačnej atmosfére, čím sa vytvorí veľké množstvo kruhových štruktúr na báze panvového priameho reťazca, aby sa dosiahnuť účel, aby vydržali ošetrenie pri vyššej teplote.
Karbonizácia (maximálna teplota nie nižšia ako 1000 ℃): proces karbonizácie by sa mal vykonávať v inertnej atmosfére.V počiatočnom štádiu karbonizácie sa reťazec panvy preruší a začne sa sieťovacia reakcia;So zvyšovaním teploty sa pri reakcii tepelného rozkladu začína uvoľňovať veľké množstvo plynov s malými molekulami a začína sa vytvárať grafitová štruktúra;Keď sa teplota ďalej zvyšovala, obsah uhlíka sa rapídne zvýšil a uhlíkové vlákno sa začalo vytvárať.
Grafitizácia (teplota spracovania nad 2000 ℃): grafitizácia nie je nevyhnutný proces na výrobu uhlíkových vlákien, ale voliteľný proces.Ak sa očakáva vysoký modul pružnosti uhlíkových vlákien, je potrebná grafitizácia;Ak sa očakáva vysoká pevnosť uhlíkových vlákien, grafitizácia nie je potrebná.V procese grafitizácie vysoká teplota spôsobuje, že vlákno tvorí rozvinutú štruktúru grafitovej siete a štruktúra je integrovaná ťahaním, aby sa získal konečný produkt.
Vysoké technické bariéry poskytujú následným výrobkom vysokú pridanú hodnotu a cena leteckých kompozitov je 200-krát vyššia ako cena surového hodvábu.Vzhľadom na vysokú náročnosť prípravy uhlíkových vlákien a zložitý proces platí, že čím viac sú produkty po prúde, tým vyššia je pridaná hodnota.Najmä v prípade špičkových kompozitov z uhlíkových vlákien používaných v oblasti letectva, pretože následní zákazníci majú veľmi prísne požiadavky na spoľahlivosť a stabilitu, cena produktu tiež vykazuje geometrický niekoľkonásobný rast v porovnaní s bežnými uhlíkovými vláknami.
Čas odoslania: 22. júla 2021