Kulfiber, kendt som kongen af nye materialer i det 21. århundrede, er en lys perle i materialer.Kulfiber (CF) er en slags uorganisk fiber med mere end 90 % kulstofindhold.Organiske fibre (viscosebaserede, beg-baserede, polyacrylonitrilbaserede fibre osv.) pyrolyseres og carboniseres ved høj temperatur for at danne kulstofrygrad.
Som en ny generation af forstærket fiber har kulfiber fremragende mekaniske og kemiske egenskaber.Det har ikke kun de iboende egenskaber af kulstofmaterialer, men har også blødheden og bearbejdeligheden af tekstilfibre.Derfor er det meget udbredt inden for rumfart, energiudstyr, transport, sport og fritidsområder
Let vægt: som et strategisk nyt materiale med fremragende ydeevne er tætheden af kulfiber næsten den samme som for magnesium og beryllium, mindre end 1/4 af stålets.Brug af kulfiberkomposit som strukturmateriale kan reducere den strukturelle vægt med 30% - 40%.
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 for andre strukturelle materialer.
Lille udvidelseskoefficient: den termiske udvidelseskoefficient for de fleste kulfibre er negativ ved stuetemperatur, 0 ved 200-400 ℃ og kun 1,5 ved mindre end 1000 ℃ × 10-6 / K, ikke let at udvide og deformere på grund af høj arbejdskraft temperatur.
God kemisk korrosionsbestandighed: Kulfiber har et højt indhold af rent kulstof, og kulstof er et af de mest stabile kemiske elementer, hvilket resulterer i dets meget stabile ydeevne i surt og alkalisk miljø, som kan laves til alle slags kemiske anti-korrosionsprodukter.
Stærk træthedsbestandighed: strukturen af kulfiber er stabil.Ifølge statistikken for polymernetværk, efter millioner af cyklusser af spændingstræthedstest, er kompositens fastholdelsesgrad stadig 60%, mens stålets er 40%, aluminium er 30%, og glasfiberforstærket plast er kun 20 % – 25 %.
Kulfiberkomposit er genforstærkningen af kulfiber.Selvom kulfiber kan bruges alene og spille en bestemt funktion, er det trods alt et sprødt materiale.Kun når det kombineres med matrixmaterialet for at danne kulfiberkomposit, kan det give bedre spil til dets mekaniske egenskaber og bære flere belastninger.
Kulfibre kan klassificeres efter forskellige dimensioner såsom precursor type, fremstillingsmetode og ydeevne
Afhængigt af typen af prækursor: polyacrylonitril (Pan) baseret, beg baseret (isotropisk, mesofase);Viskosebase (cellulosebase, rayonbase).Blandt dem indtager polyacrylonitril (Pan)-baseret kulfiber mainstream-positionen, og dens produktion tegner sig for mere end 90% af den samlede kulfiber, mens viskosebaseret kulfiber tegner sig for mindre end 1%.
I henhold til fremstillingsbetingelser og metoder: kulfiber (800-1600 ℃), grafitfiber (2000-3000 ℃), aktiveret kulfiber, dampdyrket kulfiber.
Ifølge de mekaniske egenskaber kan den opdeles i generel type og højtydende type: styrken af den generelle type kulfiber er omkring 1000MPa, og modulet er omkring 100GPa;Højtydende type kan opdeles i højstyrketype (styrke 2000mPa, modul 250gpa) og højmodel (modulus 300gpa eller mere), blandt hvilke styrken større end 4000mpa også kaldes ultrahøjstyrketype, og modulet større end 450gpa er kaldet ultrahøj model.
I henhold til størrelsen af blår kan det opdeles i lille blår og stort blår: lille blår kulfiber er hovedsageligt 1K, 3K og 6K i den indledende fase og gradvist udviklet til 12K og 24K, som hovedsageligt bruges i rumfart, sport og fritidsmarker.Kulfibre over 48K kaldes normalt store trækkulfibre, herunder 48K, 60K, 80K osv., som hovedsageligt bruges i industrielle områder.
Trækstyrke og trækmodul er to hovedindekser til at evaluere egenskaberne af kulfiber.Baseret på dette udsendte Kina den nationale standard for PAN-baseret kulfiber (GB / t26752-2011) i 2011. På samme tid, på grund af Torays absolut førende fordel i den globale kulfiberindustri, vedtager de fleste indenlandske producenter også Torays klassifikationsstandard som reference.
1.2 høje barrierer giver høj merværdi.Forbedring af processen og realisering af masseproduktion kan reducere omkostningerne betydeligt og øge effektiviteten
1.2.1 industriens tekniske barriere er høj, prækursorproduktionen er kernen, og karbonisering og oxidation er nøglen
Produktionsprocessen af kulfiber er kompleks, hvilket kræver højt udstyr og teknologi.Styringen af præcision, temperatur og tid for hvert led vil i høj grad påvirke kvaliteten af det endelige produkt.Polyacrylonitril kulfiber er blevet den mest udbredte og den højeste output kulfiber på nuværende tidspunkt på grund af dens relativt enkle forberedelsesproces, lave produktionsomkostninger og bekvem bortskaffelse af tre affald.Hovedråmaterialet propan kan fremstilles af råolie, og PAN-kulfiberindustriens kæde omfatter en komplet fremstillingsproces fra primær energi til terminalapplikation.
Efter at propan var fremstillet ud fra råolie, blev propylen opnået ved selektiv katalytisk dehydrogenering (PDH) af propan;
Acrylonitril blev opnået ved ammoxidation af propylen.Polyacrylonitril (Pan) precursor blev opnået ved polymerisation og spinding af acrylonitril;
Polyacrylonitril er præoxideret, carboniseret ved lav og høj temperatur for at opnå kulfiber, som kan laves til kulfiberstof og kulfiberprepreg til fremstilling af kulfiberkompositter;
Kulfiber kombineres med harpiks, keramik og andre materialer for at danne kulfiberkompositter.Endelig opnås slutprodukterne til downstream-applikationer ved forskellige støbeprocesser;
Kvaliteten og ydelsesniveauet af precursor bestemmer direkte kulfibers endelige ydeevne.Derfor bliver en forbedring af kvaliteten af spindeopløsningen og optimering af faktorerne til dannelse af prækursorer nøglepunkterne ved fremstilling af kulfiber af høj kvalitet.
Ifølge "Forskning i produktionsproces for polyacrylonitril-baseret kulfiberprecursor" omfatter spindeprocessen hovedsageligt tre kategorier: vådspinding, tørspinding og tør vådspinding.På nuværende tidspunkt bruges vådspinning og tør vådspinning hovedsageligt til at fremstille polyacrylonitril-precursor i ind- og udland, blandt hvilke vådspinning er den mest udbredte.
Vådspinding ekstruderer først spindeopløsningen fra spindedysehullet, og spindeopløsningen kommer ind i koagulationsbadet i form af lille flow.Spindemekanismen for polyacrylonitrilspindeopløsning er, at der er et stort mellemrum mellem koncentrationen af DMSO i spindeopløsning og koagulationsbad, og der er også et stort mellemrum mellem koncentrationen af vand i koagulationsbad og polyacrylonitrilopløsning.Under samspillet mellem de ovennævnte to koncentrationsforskelle begynder væsken at diffundere i to retninger og kondenserer til sidst til filamenter gennem masseoverførsel, varmeoverførsel, faseligevægtsbevægelse og andre processer.
Ved fremstilling af precursor bliver den resterende mængde DMSO, fiberstørrelse, monofilamentstyrke, modul, forlængelse, olieindhold og kogende vandsvind nøglefaktorerne, der påvirker kvaliteten af precursoren.Tager man den resterende mængde DMSO som et eksempel, har det indflydelse på de tilsyneladende egenskaber af precursor, tværsnitstilstand og CV-værdi 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 vaskecyklus bliver et vigtigt led.
Højkvalitets polyacrylonitril-precursor bør have følgende egenskaber: høj densitet, høj krystallinitet, passende styrke, cirkulært tværsnit, færre fysiske defekter, glat overflade og ensartet og tæt hudkernestruktur.
Temperaturkontrol af karbonisering og oxidation er nøglen.Karbonisering og oxidation er et væsentligt trin i produktionen af kulfiber-slutprodukter fra precursor.I dette trin skal nøjagtigheden og temperaturområdet kontrolleres nøjagtigt, ellers vil trækstyrken af kulfiberprodukter blive væsentligt påvirket og endda føre til ledningsbrud
Foroxidation (200-300 ℃): i præoxidationsprocessen oxideres PAN-prækursoren langsomt og mildt ved at påføre en vis spænding i den oxiderende atmosfære, der danner et stort antal ringstrukturer på basis af den lige kæde af panden, for at opnå formålet med at modstå behandling ved højere temperatur.
Karbonisering (maksimal temperatur ikke lavere end 1000 ℃): karboniseringsprocessen skal udføres i en inert atmosfære.I det tidlige stadie af karboniseringen brydes pandekæden, og tværbindingsreaktionen begynder;Med stigningen i temperaturen begynder den termiske nedbrydningsreaktion at frigive et stort antal små molekyle gasser, og grafitstrukturen begynder at dannes;Når temperaturen steg yderligere, steg kulstofindholdet hurtigt, og kulfiberen begyndte at dannes.
Grafitisering (behandlingstemperatur over 2000 ℃): grafitisering er ikke en nødvendig proces til kulfiberproduktion, men en valgfri proces.Hvis høj elasticitetsmodul af kulfiber forventes, er grafitisering nødvendig;Hvis høj styrke af kulfiber forventes, er grafitisering ikke nødvendig.I grafitiseringsprocessen får høj temperatur fiberen til at danne en udviklet grafitnetstruktur, og strukturen integreres ved tegning for at få det endelige produkt.
Høje tekniske barrierer giver downstream-produkterne høj værditilvækst, og prisen på flykompositter er 200 gange højere end prisen på råsilke.På grund af den høje vanskelighed ved fremstilling af kulfiber og komplekse processer, jo mere nedstrøms produkterne er, jo højere værditilvækst.Især for de avancerede kulfiberkompositter, der anvendes i rumfartsområdet, fordi downstream-kunderne har meget strenge krav til dets pålidelighed og stabilitet, viser produktprisen også en geometrisk multipel vækst sammenlignet med den almindelige kulfiber.
Indlægstid: 22-jul-2021