Карбонска влакна, позната као краљ нових материјала у 21. веку, светли су бисер у материјалима.Угљична влакна (ЦФ) су врста неорганских влакана са више од 90% садржаја угљеника.Органска влакна (на бази вискозе, на бази смоле, на бази полиакрилонитрила, итд.) су пиролизована и карбонизована на високој температури да би се формирала угљенична кичма.
Као нова генерација ојачаних влакана, карбонска влакна имају одличне механичке и хемијске особине.Не само да има инхерентне карактеристике угљеничних материјала, већ има и мекоћу и могућност обраде текстилних влакана.Због тога се широко користи у ваздухопловству, енергетској опреми, транспорту, спорту и рекреацији
Мала тежина: као стратешки нови материјал са одличним перформансама, густина угљеничних влакана је скоро иста као код магнезијума и берилијума, мања од 1/4 густине челика.Коришћење композита од угљеничних влакана као структурног материјала може смањити структурну тежину за 30% – 40%.
Висока чврстоћа и висок модул: специфична чврстоћа угљеничних влакана је 5 пута већа од челика и 4 пута већа од легуре алуминијума;Специфични модул је 1,3-12,3 пута већи од осталих конструктивних материјала.
Мали коефицијент експанзије: коефицијент термичке експанзије већине угљеничних влакана је негативан на собној температури, 0 на 200-400 ℃, и само 1,5 на мање од 1000 ℃ × 10-6 / К, није лако проширити и деформисати због високе радне снаге температура.
Добра отпорност на хемијску корозију: угљенична влакна имају висок садржај чистог угљеника, а угљеник је један од најстабилнијих хемијских елемената, што резултира његовим врло стабилним перформансама у киселој и алкалној средини, што се може претворити у све врсте хемијских производа против корозије.
Снажна отпорност на замор: структура угљеничних влакана је стабилна.Према статистици полимерне мреже, након милиона циклуса теста на замор од напрезања, стопа задржавања чврстоће композита је и даље 60%, док је челик 40%, алуминијум 30%, а пластика ојачана стакленим влакнима само 20%. % – 25%.
Композит од угљеничних влакана је поновно јачање карбонских влакана.Иако се угљенична влакна могу користити сама и имају одређену функцију, ипак су то крхки материјал.Само када се комбинује са матричним материјалом да би се формирао композит од угљеничних влакана, може дати бољу игру својим механичким својствима и носити више оптерећења.
Карбонска влакна се могу класификовати према различитим димензијама као што су тип прекурсора, начин производње и перформансе
Према врсти прекурсора: на бази полиакрилонитрила (Пан), на бази смоле (изотропни, мезофазни);Вискозна база (целулозна база, рајонска база).Међу њима, угљенична влакна на бази полиакрилонитрила (Пан) заузимају главну позицију, а њихова производња чини више од 90% укупних угљеничних влакана, док угљенична влакна на бази вискозе заузимају мање од 1%.
Према условима и методама производње: угљенична влакна (800-1600 ℃), графитна влакна (2000-3000 ℃), влакна од активног угљеника, угљенична влакна узгајана паром.
Према механичким својствима, може се поделити на општи тип и тип високих перформанси: чврстоћа угљеничних влакана општег типа је око 1000МПа, а модул је око 100ГПа;Тип високих перформанси се може поделити на тип високе чврстоће (снага 2000мПа, модул 250гпа) и високи модел (модул 300гпа или више), међу којима се јачина већа од 4000мпа назива и тип ултра високе чврстоће, а модул већи од 450гпа је назван ултра-високи модел.
Према величини вучне, може се поделити на малу вучу и велику вучу: мала вучна карбонска влакна су углавном 1К, 3К и 6К у почетној фази, а постепено се развијају у 12К и 24К, која се углавном користе у ваздухопловству, спорту и поља за слободно време.Карбонска влакна изнад 48К се обично називају великим карбонским влакнима за вучу, укључујући 48К, 60К, 80К, итд., која се углавном користе у индустријским пољима.
Затезна чврстоћа и затезни модул су два главна индекса за процену особина угљеничних влакана.На основу овога, Кина је 2011. године прогласила национални стандард за карбонска влакна на бази ПАН (ГБ / т26752-2011). Истовремено, због Тораијеве апсолутне водеће предности у глобалној индустрији угљеничних влакана, већина домаћих произвођача такође усваја Тораи-ов стандард класификације као референца.
1.2 високе баријере доносе високу додату вредност.Побољшање процеса и реализација масовне производње могу значајно смањити трошкове и повећати ефикасност
1.2.1 техничка баријера индустрије је висока, производња прекурсора је језгро, а карбонизација и оксидација су кључни
Процес производње угљеничних влакана је сложен, што захтева високу опрему и технологију.Контрола прецизности, температуре и времена сваке карике у великој мери ће утицати на квалитет финалног производа.Полиакрилонитрилна угљенична влакна су постала најшире коришћена и највећа излазна карбонска влакна у овом тренутку због релативно једноставног процеса припреме, ниске цене производње и практичног одлагања три отпада.Главна сировина пропан може бити направљена од сирове нафте, а ланац индустрије ПАН угљеничних влакана укључује комплетан производни процес од примарне енергије до терминалне примене.
Након што је пропан припремљен из сирове нафте, пропилен је добијен селективном каталитичком дехидрогенацијом (ПДХ) пропана;
Акрилонитрил је добијен амоксидацијом пропилена.Прекурсор полиакрилонитрила (Пан) је добијен полимеризацијом и центрифугирањем акрилонитрила;
Полиакрилонитрил је претходно оксидован, карбонизован на ниској и високој температури да би се добила угљенична влакна, која се могу направити у тканину од угљеничних влакана и препрег од угљеничних влакана за производњу композита од угљеничних влакана;
Угљична влакна се комбинују са смолом, керамиком и другим материјалима да би се формирали композити од угљеничних влакана.Коначно, финални производи за даље примене се добијају различитим процесима калуповања;
Квалитет и ниво перформанси прекурсора директно одређују коначне перформансе угљеничних влакана.Стога, побољшање квалитета раствора за предење и оптимизација фактора формирања прекурсора постају кључне тачке припреме висококвалитетних угљеничних влакана.
Према „Истраживању процеса производње прекурсора угљеничних влакана на бази полиакрилонитрила“, процес предења углавном укључује три категорије: мокро предење, суво предење и суво мокро предење.Тренутно се мокро предење и суво мокро предење углавном користе за производњу прекурсора полиакрилонитрила у земљи и иностранству, међу којима је најшире коришћено мокро предење.
Мокро предење прво истискује раствор за предење из отвора за предење, а раствор за предење улази у коагулациону купку у облику малог тока.Механизам предења раствора за предење полиакрилонитрила је да постоји велики јаз између концентрације ДМСО у раствору за предење и коагулационом купатилу, а такође постоји и велики јаз између концентрације воде у коагулационом купатилу и раствора полиакрилонитрила.Под интеракцијом горње две разлике концентрације, течност почиње да дифундује у два правца, и коначно се кондензује у филаменте кроз пренос масе, пренос топлоте, кретање равнотеже фаза и друге процесе.
У производњи прекурсора, заостала количина ДМСО, величина влакана, чврстоћа монофиламента, модул, издужење, садржај уља и скупљање кипуће воде постају кључни фактори који утичу на квалитет прекурсора.Узимајући за пример преосталу количину ДМСО, она утиче на привидна својства прекурсора, стање попречног пресека и ЦВ вредност финалног производа од угљеничних влакана.Што је мања заостала количина ДМСО, то су перформансе производа веће.У производњи, ДМСО се углавном уклања прањем, па како контролисати температуру прања, време, количину осољене воде и количину циклуса прања постаје важна карика.
Висококвалитетни прекурсор полиакрилонитрила треба да има следеће карактеристике: високу густину, високу кристалност, одговарајућу чврстоћу, кружни попречни пресек, мање физичких дефеката, глатку површину и уједначену и густу структуру језгра коже.
Контрола температуре карбонизације и оксидације је кључна.Карбонизација и оксидација су суштински корак у производњи финалних производа од угљеничних влакана од прекурсора.У овом кораку треба прецизно контролисати тачност и опсег температуре, иначе ће затезна чврстоћа производа од угљеничних влакана бити значајно погођена, па чак и довести до лома жице
Преоксидација (200-300 ℃): у процесу преоксидације, ПАН прекурсор се полако и благо оксидује применом одређене напетости у оксидационој атмосфери, формирајући велики број прстенастих структура на основу равног ланца пан, тако да се постићи сврху да издрже третман на вишим температурама.
Карбонизација (максимална температура не нижа од 1000 ℃): процес карбонизације треба да се спроводи у инертној атмосфери.У раној фази карбонизације, пан ланац се прекида и почиње реакција умрежавања;Са повећањем температуре, реакција термичког разлагања почиње да ослобађа велики број гасова малих молекула, а графитна структура почиње да се формира;Када се температура даље повећала, садржај угљеника се брзо повећао и угљенична влакна су почела да се формирају.
Графитизација (температура третмана изнад 2000 ℃): графитизација није неопходан процес за производњу угљеничних влакана, већ опциони процес.Ако се очекује висок модул еластичности карбонских влакана, потребна је графитизација;Ако се очекује висока чврстоћа карбонских влакана, графитизација није потребна.У процесу графитизације, висока температура чини да влакно формира развијену графитну мрежасту структуру, а структура се интегрише извлачењем како би се добио коначни производ.
Високе техничке баријере дају низводним производима високу додату вредност, а цена ваздухопловних композита је 200 пута већа од цене сирове свиле.Због велике тежине припреме угљеничних влакана и сложеног процеса, што је више производа низводно, то је већа додата вредност.Посебно за висококвалитетне композите од угљеничних влакана који се користе у ваздухопловству, јер купци у даљем току имају веома строге захтеве за његову поузданост и стабилност, цена производа такође показује геометријски вишеструки раст у поређењу са обичним угљеничним влакнима.
Време објаве: 22.07.2021