Kulfiber - Materiale sort guld, med høje industribarrierer og høj produkttilvækst

1. Kulfiber er stive og fleksible og er meget udbredt i downstream-applikationer

Den materielle udviklings historie er tæt forbundet med menneskets udviklingshistorie, og nye materialer er en stærk drivkraft for menneskeheden til at bevæge sig fra "naturriget" til "friheden". Materialer defineres normalt som stoffer, der bruges til at fremstille nyttige genstande, og menneskets evne til at genkende og bruge materialer bestemmer direkte den sociale form og menneskelige levestandarder. I nutidige tider er materialer, energi og information blevet de tre søjler i social civilisation og national økonomi, og blandt dem er materialer det materielle grundlag og den teknologiske leder af udviklingen af ​​videnskab og teknologi.

Gennem hele materialeudviklingens historie kan det tidsmæssigt opsummeres i seks udviklingsperioder af stenværktøj/bronzeværktøj/jernværktøj/stål/silicium/nye materialer. Blandt dem, med åbningen af ​​den nye teknologirevolution i anden halvdel af det 20. århundrede, er nye materialer blevet en booster for udviklingen af ​​forskellige højteknologiske områder. For eksempel er computerteknologi afhængig af industriel produktion af halvledermaterialer, og rumfartsindustrien kræver et stort antal højtemperatur- og højstyrke konstruktionsmaterialer. Det er matchet med det, og moderne optisk fiberkommunikation er baseret på lavtforbrugende optisk fiber.

Kulfiber, kendt som kongen af ​​nye materialer i det 21. århundrede, er en skinnende juvel i materialets krone. Kulfiber (CF for kort) er en uorganisk fiber med et kulstofindhold på mere end 90 procent. Det fremstilles ved at revne og karbonisere organiske fibre (viskose-baserede, beg-baserede, polyacrylonitril-baserede fibre osv.) i et højtemperaturmiljø for at danne en kulstofrygradsmekanisme. Som en ny generation af forstærkende fibre har kulfiber fremragende mekaniske og kemiske egenskaber, har ikke kun de iboende egenskaber af kulstofmaterialer, men har også den bløde bearbejdelighed af tekstilfibre, så de er meget udbredt i rumfart, energiudstyr, transport, sport. Fritid og andre områder:

Letvægt: Som et strategisk nyt materiale med fremragende ydeevne er tætheden af ​​kulfiber stort set den samme som for magnesium og beryllium, og den er mindre end 1/4 af stålets. Brug af kulfiberkompositmateriale som et strukturelt materiale kan reducere den strukturelle masse med 30 procent -40 procent.

Høj styrke og højt modul: Den specifikke styrke af kulfiber er 5 gange højere end stål og 4 gange højere end aluminiumslegering; det specifikke modul er 1.3-12.3 gange det for andre strukturelle materialer.

Lille udvidelseskoefficient: Den termiske udvidelseskoefficient for de fleste kulfibre er negativ ved stuetemperatur, 0 ved 200-400 grad og kun 1,5 × 10-6 /K, når den er mindre end 1000 grader, så det er ikke nemt at udvide og deformere på grund af høj arbejdstemperatur.

God kemisk korrosionsbestandighed: Kulfiber har et højt indhold af rent kulstof, og kulstof er et af de mest stabile kemiske grundstoffer, hvilket gør det meget stabilt i sure og alkaliske miljøer, og kan laves om til forskellige kemiske anti-korrosionsprodukter.

Stærk træthedsbestandighed: Kulfiberstrukturen er stabil. Ifølge statistikken for polymernetværket er kompositmaterialets fastholdelseshastighed stadig 60 procent efter millioner af cyklusser af spændingstræthed, sammenlignet med 40 procent for stål, 30 procent for aluminium og 30 procent for glasfiberforstærket plast. Derefter kun 20 procent -25 procent .

Kulfiberkompositmaterialer er genforstærket på basis af kulfiber. Selvom kulfiber kan bruges alene og udføre specifikke funktioner, er det trods alt et sprødt materiale. Kun når det kombineres med matrixmaterialet for at danne et kulfiberkompositmateriale, kan det udøve bedre mekaniske egenskaber og bære flere belastninger.

Kulfibre kan klassificeres efter forskellige dimensioner såsom precursor type, fremstillingsmetode og ydeevne:

Afhængig af typen af ​​råsilke: polyacrylonitril (PAN) baseret, beg baseret (isotropisk, mesofase); viskosebaseret (cellulosebaseret, rayonbaseret). Blandt dem indtager polyacrylonitril (PAN)-baseret kulfiber den almindelige position, hvor produktionen tegner sig for mere end 90 procent af den samlede kulfiber, og viskose-baseret kulfiber er mindre end 1 procent.

Klassificering efter fremstillingsbetingelser og -metoder: kulfiber (800-1600 grad ), grafitfiber (2000-3000 grad ), aktiveret kulfiber, dampdyrket kulfiber.

I henhold til de mekaniske egenskaber kan den opdeles i generel type og højtydende type: kulfiber til generelle formål har en styrke på 1000MPa og et modul på omkring 100GPa;), hvor styrken større end 4000MPa også kaldes ultra-højstyrke-typen, og modulet større end 450GPa kaldes ultrahøj-modellen.

I henhold til størrelsen af ​​slæbet kan det opdeles i lille slæb og stort slæb: lille slæb kulfiber er hovedsageligt 1K, 3K, 6K i den indledende fase og gradvist udviklet til 12K og 24K, som hovedsageligt bruges i rumfart, sports- og fritidsbaner. Kulfibre over 48K kaldes normalt store trækkulfibre, herunder 48K, 60K, 80K osv., som hovedsageligt bruges i industrielle områder.

Trækstyrke og trækmodul er de to vigtigste indikatorer til at måle kulfibers ydeevne. Baseret på dette udsendte mit land den "nationale standard for polyacrylonitril (PAN)-baseret kulfiber (GB/T26752-2011)" i 2011. På samme tid, fordi Japans Toray har en absolut førende fordel i den globale kulfiberindustrien, de fleste indenlandske producenter vedtager også klassificeringsstandarden for Japans Toray som reference.

2.Høje tekniske barrierer i industrien, råsilkeproduktion er kernen, karbonisering og oxidation er nøglen

Kulfiberproduktionsprocessen er kompleks og kræver ekstremt højt udstyr og teknologi. Styringen af ​​nøjagtigheden, temperaturen og tiden for hvert led vil i høj grad påvirke kvaliteten af ​​det endelige produkt. Polyacrylonitril kulfiber er blevet kulfiberen med det bredeste anvendelsesområde og den højeste produktion på dette stadium på grund af dens relativt enkle forberedelsesproces, lave produktionsomkostninger og bekvem bortskaffelse af tre affald. Dets vigtigste råmateriale, propan, kan fås fra råolie, og polyacrylonitril kulfiberindustrikæden omfatter en komplet fremstillingsproces fra primær energi til slutanvendelser.

Efter fremstilling af propan fra råolie kan propan opnås ved selektiv katalytisk dehydrogenering (PDH);

Acrylonitril opnås efter ammoxidation af propylen, og polyacrylonitril (PAN) precursor opnås efter acrylonitrilpolymerisation og spinding;

Polyacrylonitril er præoxideret, carboniseret ved lav temperatur og høj temperatur for at opnå kulfiber og kan laves til kulfiberstof og kulfiberprepreg til fremstilling af kulfiberkompositmaterialer;

Kulfiber kombineres med harpiks, keramik og andre materialer for at danne kulfiberkompositmaterialer, og endelig opnås de endelige produkter, der kræves af downstream-applikationer, ved forskellige støbeprocesser;

Kvaliteten og ydelsesniveauet af precursoren bestemmer direkte kulfibers endelige ydeevne. Derfor er forbedring af kvaliteten af ​​spindeløsningen og optimering af de forskellige faktorer i precursorfiberdannelsen blevet nøglenoder i fremstillingen af ​​kulfibre af høj kvalitet.

Ifølge "Research on the Production Process of Polyacrylonitril-Based Carbon Fiber Precursor" omfatter spinningsprocessen hovedsageligt tre kategorier: vådspinding, tørspinding og tør-vådspinding. På nuværende tidspunkt vedtager produktionsprocessen af ​​polyacrylonitril-prækursorer i ind- og udland hovedsageligt vådspinding og tør-våd spinding, blandt hvilke vådspinning er den mest udbredte.

Ved vådspinding ekstruderes spindeopløsningen først fra spindedysehullet, og spindeopløsningen kommer i koagulationsbadet i form af en fin strøm. Spindemekanismen for polyacrylonitrilspindeopløsning er: der er et stort mellemrum mellem koncentrationen af ​​DMSO (dimethylsulfoxid) i spindeopløsningen og koagulationsbadet, og koncentrationen af ​​vand i koagulationsbadet og polyacrylonitrilopløsningen er også enorm. hul. Under samspillet mellem de ovennævnte to koncentrationsforskelle begynder væskerne at diffundere i begge retninger og kondenserer til sidst til filamenter gennem processer som masseoverførsel, varmeoverførsel og faseligevægtsbevægelse.

Resterende DMSO, finhed, monofilamentstyrke, modul, forlængelse, olieindhold og kogende vandsvind i produktionen af ​​råsilke bliver nøglefaktorerne, der påvirker kvaliteten af ​​råsilke. Tager man den resterende mængde DMSO som et eksempel, har det en effekt på prækursorens tilsyneladende egenskaber, tværsnitstilstanden og CV-værdien af ​​det endelige kulfiberprodukt. Jo lavere restmængden af ​​DMSO er, jo højere ydeevne har produktet. I produktionen fjernes DMSO hovedsageligt ved vask, så hvordan man styrer vasketemperaturen, tid, mængden af ​​afsaltet vand og mængden af ​​vaskecirkulation bliver et vigtigt led.

Højkvalitets polyacrylonitril-prækursorer bør have følgende egenskaber: høj densitet, høj krystallinitet, passende styrke, cirkulært tværsnit, færre fysiske defekter og samtidig have en glat overflade og en ensartet og tæt hudkernestruktur.

Temperaturstyringen af ​​karbonisering og oxidation er nøglen. Karbonisering og oxidation er et væsentligt led i produktionen af ​​råsilke til kulfiber-slutprodukter. I dette link skal præcisionen og temperaturområdet kontrolleres nøjagtigt, ellers vil trækstyrken af ​​kulfiberprodukter blive væsentligt påvirket, og endda ledningsbrud vil forekomme:

Præ-oxidation (200-300 grad ): I præ-oxidationsprocessen, ved at påføre en vis spænding i en oxiderende atmosfære, oxideres PAN-prækursoren langsomt og mildt, og der dannes et stort antal ringpakkede strukturer på grundlaget for PAN lige kæde, så det kan modstå Formålet med højere temperatur behandling.

Karbonisering (maksimal temperatur ikke lavere end 1000 grader): Karboniseringsprocessen skal udføres i en inert atmosfære. I det tidlige stadie af karbonisering brydes den lige kæde af PAN, og tværbindingsreaktionen begynder; da temperaturen gradvist stiger, begynder den termiske nedbrydningsreaktion, frigiver en stor mængde lille molekylær gas, og grafitstrukturen begynder at dannes; efter at temperaturen stiger yderligere, stiger kulstofindholdet hurtigt, og kulfiberen begynder at dannes.

Grafitisering (behandlingstemperatur over 2000 grader): Grafitisering er ikke en nødvendig proces for kulfiberproduktion, men et valgfrit led. Hvis kulfiberen forventes at have et højt elasticitetsmodul, kræves grafitisering; hvis kulfiberen forventes at opnå høj styrke, er grafitisering ikke påkrævet. I grafitiseringsprocessen bevirker den høje temperatur, at der dannes en udviklet grafitnetstruktur inde i fiberen, og strukturen normaliseres ved at trække for at opnå det endelige produkt.

Høje tekniske barrierer giver downstream-produkter en høj merværdi, og prisen på kompositmaterialer til luftfart er 200 gange højere end for råsilke. På grund af den høje vanskelighed ved fremstilling af kulfiber og den komplekse proces, jo mere nedstrøms dets produkter er, desto højere værditilvækst, især de avancerede kulfiberkompositmaterialer, der bruges i rumfartsområdet. Fordi downstream-kunder har meget strenge krav til pålidelighed og stabilitet, er produktprisen Det er også geometrisk forhøjet i forhold til almindelig kulfiber.