Karbonska vlakna, poznata kao kralj novih materijala u 21. stoljeću, svijetli su biser među materijalima.Karbonska vlakna (CF) su vrsta anorganskih vlakana s više od 90% udjela ugljika.Organska vlakna (na bazi viskoze, smole, vlakna na bazi poliakrilonitrila, itd.) se piroliziraju i karboniziraju na visokoj temperaturi kako bi se formirala karbonska okosnica.
Kao nova generacija ojačanih vlakana, karbonska vlakna imaju izvrsna mehanička i kemijska svojstva.Ne samo da ima inherentne karakteristike karbonskih materijala, već ima i mekoću i mogućnost obrade tekstilnih vlakana.Stoga se široko koristi u zrakoplovstvu, energetskoj opremi, transportu, sportu i slobodnom vremenu
Mala težina: kao strateški novi materijal s izvrsnim performansama, gustoća karbonskih vlakana gotovo je ista kao gustoća magnezija i berilija, manja od 1/4 gustoće čelika.Korištenje kompozita od karbonskih vlakana kao strukturnog materijala može smanjiti strukturnu težinu za 30% – 40%.
Visoka čvrstoća i visoki modul: specifična čvrstoća karbonskih vlakana je 5 puta veća od one od čelika i 4 puta veća od one od legure aluminija;Specifični modul je 1,3-12,3 puta veći od ostalih strukturnih materijala.
Mali koeficijent ekspanzije: koeficijent toplinske ekspanzije većine karbonskih vlakana je negativan na sobnoj temperaturi, 0 na 200-400 ℃, i samo 1,5 na manje od 1000 ℃ × 10-6 / K, nije ga lako proširiti i deformirati zbog visoke radne snage temperatura.
Dobra kemijska otpornost na koroziju: ugljična vlakna imaju visok sadržaj čistog ugljika, a ugljik je jedan od najstabilnijih kemijskih elemenata, što rezultira njegovom vrlo stabilnom izvedbom u kiselom i alkalnom okruženju, od kojeg se mogu napraviti sve vrste kemijskih proizvoda protiv korozije.
Jaka otpornost na zamor: struktura karbonskih vlakana je stabilna.Prema statistici polimerne mreže, nakon milijuna ciklusa ispitivanja zamora od naprezanja, stopa zadržavanja čvrstoće kompozita je još uvijek 60%, dok je kod čelika 40%, aluminija 30%, a plastike ojačane staklenim vlaknima samo 20 % – 25 %.
Kompozit od karbonskih vlakana ponovno je ojačanje karbonskih vlakana.Iako se ugljična vlakna mogu koristiti sama i imati određenu funkciju, ona je ipak krt materijal.Tek kada se kombinira s materijalom matrice da bi se formirao kompozit od karbonskih vlakana, može dati bolju igru svojim mehaničkim svojstvima i podnijeti više opterećenja.
Ugljična vlakna mogu se klasificirati prema različitim dimenzijama kao što su vrsta prekursora, način proizvodnje i izvedba
Prema vrsti prekursora: na bazi poliakrilonitrila (Pan), na bazi smole (izotropne, mezofazne);Baza od viskoze (baza od celuloze, baza od rajona).Među njima, ugljična vlakna na bazi poliakrilonitrila (Pan) zauzimaju glavno mjesto, a njihova proizvodnja čini više od 90% ukupnih ugljičnih vlakana, dok ugljična vlakna na bazi viskoze čine manje od 1%.
Prema uvjetima i metodama proizvodnje: ugljična vlakna (800-1600 ℃), grafitna vlakna (2000-3000 ℃), aktivirana ugljična vlakna, ugljična vlakna uzgojena parom.
Prema mehaničkim svojstvima, može se podijeliti na opći tip i tip visokih performansi: čvrstoća općeg tipa karbonskih vlakana je oko 1000 MPa, a modul je oko 100 GPa;Tip visokih performansi može se podijeliti na tip visoke čvrstoće (čvrstoća 2000 mPa, modul 250 gpa) i visoki model (modul 300 gpa ili više), među kojima se čvrstoća veća od 4000 mpa također naziva tipom ultravisoke čvrstoće, a modul veći od 450 gpa je nazvan ultravisoki model.
Prema veličini vuče, može se podijeliti na malu vuču i veliku vuču: mala vučna vlakna su uglavnom 1K, 3K i 6K u početnoj fazi, a postupno se razvila u 12K i 24K, koja se uglavnom koriste u zrakoplovstvu, sportu i terenima za slobodno vrijeme.Ugljična vlakna iznad 48K obično se nazivaju velikim karbonskim vlaknima, uključujući 48K, 60K, 80K itd., koja se uglavnom koriste u industrijskim poljima.
Vlačna čvrstoća i vlačni modul dva su glavna pokazatelja za procjenu svojstava karbonskih vlakana.Na temelju toga, Kina je 2011. objavila nacionalni standard za ugljična vlakna temeljena na PAN-u (GB / t26752-2011). U isto vrijeme, zbog apsolutne vodeće prednosti Toraya u globalnoj industriji ugljičnih vlakana, većina domaćih proizvođača također prihvaća Torayev klasifikacijski standard kao referenca.
1.2 visoke barijere donose visoku dodanu vrijednost.Poboljšanje procesa i realizacija masovne proizvodnje može značajno smanjiti troškove i povećati učinkovitost
1.2.1 tehnička barijera industrije je visoka, proizvodnja prekursora je jezgra, a karbonizacija i oksidacija su ključni
Proces proizvodnje karbonskih vlakana je složen, što zahtijeva visoku opremu i tehnologiju.Kontrola preciznosti, temperature i vremena svake veze uvelike će utjecati na kvalitetu konačnog proizvoda.Poliakrilonitrilna ugljična vlakna postala su trenutno najkorištenija i najučinkovitija ugljična vlakna zbog svog relativno jednostavnog postupka pripreme, niskih troškova proizvodnje i praktičnog odlaganja tri otpada.Glavna sirovina propan može se proizvesti iz sirove nafte, a lanac industrije karbonskih vlakana PAN uključuje kompletan proizvodni proces od primarne energije do terminalne primjene.
Nakon što je propan pripremljen iz sirove nafte, propilen je dobiven selektivnom katalitičkom dehidrogenacijom (PDH) propana;
Akrilonitril je dobiven amoksidacijom propilena.Prekursor poliakrilonitrila (Pan) dobiven je polimerizacijom i predenjem akrilonitrila;
Poliakrilonitril se prethodno oksidira, karbonizira na niskoj i visokoj temperaturi kako bi se dobila ugljična vlakna, koja se mogu preraditi u tkaninu od ugljičnih vlakana i prepreg od ugljičnih vlakana za proizvodnju kompozita od ugljičnih vlakana;
Ugljična vlakna se kombiniraju sa smolom, keramikom i drugim materijalima kako bi se formirali kompoziti od ugljičnih vlakana.Konačno, konačni proizvodi za daljnju primjenu dobivaju se različitim procesima prešanja;
Kvaliteta i razina izvedbe prethodnika izravno određuju konačnu izvedbu karbonskih vlakana.Stoga poboljšanje kvalitete otopine za predenje i optimizacija čimbenika formiranja prekursora postaju ključne točke pripreme visokokvalitetnih karbonskih vlakana.
Prema „Istraživanju procesa proizvodnje prekursora karbonskih vlakana na bazi poliakrilonitrila”, proces predenja uglavnom uključuje tri kategorije: mokro predenje, suho predenje i suho mokro predenje.Trenutno se mokro predenje i suho mokro predenje uglavnom koriste za proizvodnju prekursora poliakrilonitrila u zemlji i inozemstvu, među kojima se najčešće koristi mokro predenje.
Mokro predenje najprije istiskuje otopinu za predenje iz otvora predilnice, a otopina za predenje ulazi u koagulacijsku kupelj u obliku malog protoka.Mehanizam predenja otopine za predenje poliakrilonitrila sastoji se u tome da postoji veliki jaz između koncentracije DMSO u otopini za predenje i koagulacijske kupelji, a također postoji veliki jaz između koncentracije vode u koagulacijskoj kupki i otopine poliakrilonitrila.Pod interakcijom navedenih dviju razlika koncentracija, tekućina počinje difundirati u dva smjera, te se konačno kondenzira u vlakna kroz prijenos mase, prijenos topline, kretanje fazne ravnoteže i druge procese.
U proizvodnji prekursora, preostala količina DMSO-a, veličina vlakana, čvrstoća monofilamenta, modul, istezanje, sadržaj ulja i skupljanje u kipućoj vodi postaju ključni čimbenici koji utječu na kvalitetu prekursora.Uzimajući zaostalu količinu DMSO-a kao primjer, ona ima utjecaj na prividna svojstva prekursora, stanje presjeka i CV vrijednost konačnog proizvoda od karbonskih vlakana.Što je manja zaostala količina DMSO-a, veća je učinkovitost proizvoda.U proizvodnji se DMSO uglavnom uklanja pranjem, pa način na koji se kontrolira temperatura pranja, vrijeme, količina desoljene vode i količina ciklusa pranja postaje važna karika.
Prekursor poliakrilonitrila visoke kvalitete trebao bi imati sljedeće karakteristike: visoku gustoću, visoku kristalnost, odgovarajuću čvrstoću, kružni presjek, manje fizičkih nedostataka, glatku površinu i ujednačenu i gustu strukturu jezgre ovojnice.
Kontrola temperature karbonizacije i oksidacije je ključna.Karbonizacija i oksidacija ključni su korak u proizvodnji konačnih proizvoda od ugljičnih vlakana iz prekursora.U ovom koraku, točnost i raspon temperature trebaju biti točno kontrolirani, inače će vlačna čvrstoća proizvoda od karbonskih vlakana biti značajno pogođena, pa čak i dovesti do loma žice
Preoksidacija (200-300 ℃): u procesu preoksidacije, prekursor PAN-a se polako i blago oksidira primjenom određene napetosti u oksidirajućoj atmosferi, tvoreći veliki broj prstenastih struktura na temelju pan ravnog lanca, tako da se postići svrhu podnošenja tretmana višim temperaturama.
Karbonizacija (maksimalna temperatura ne niža od 1000 ℃): proces karbonizacije treba provoditi u inertnoj atmosferi.U ranoj fazi karbonizacije, lanac tave puca i započinje reakcija umrežavanja;S porastom temperature, reakcija termičke razgradnje počinje oslobađati veliki broj plinova malih molekula, te se počinje formirati struktura grafita;Kad se temperatura dodatno povećala, sadržaj ugljika se brzo povećao i počela su se formirati ugljična vlakna.
Grafitizacija (temperatura obrade iznad 2000 ℃): grafitizacija nije neophodan proces za proizvodnju karbonskih vlakana, već izborni proces.Ako se očekuje visok modul elastičnosti karbonskih vlakana, potrebna je grafitizacija;Ako se očekuje visoka čvrstoća karbonskih vlakana, grafitizacija nije potrebna.U procesu grafitizacije, visoka temperatura čini da vlakno formira razvijenu strukturu grafitne mreže, a struktura se integrira izvlačenjem kako bi se dobio konačni proizvod.
Visoke tehničke barijere daju daljnjim proizvodima visoku dodanu vrijednost, a cijena kompozita za zrakoplovstvo je 200 puta viša od cijene sirove svile.Zbog velike težine pripreme karbonskih vlakana i složenog procesa, što su proizvodi niže, to je veća dodana vrijednost.Posebno za visokokvalitetne kompozite od ugljičnih vlakana koji se koriste u području zrakoplovstva, budući da kupci koji slijede imaju vrlo stroge zahtjeve za njihovu pouzdanost i stabilnost, cijena proizvoda također pokazuje geometrijski višestruki rast u usporedbi s običnim ugljičnim vlaknima.
Vrijeme objave: 22. srpnja 2021