Karbonska vlakna, poznata kao kralj novih materijala u 21. veku, svetli su biser u materijalima.Ugljična vlakna (CF) su vrsta neorganskih vlakana s više od 90% sadržaja ugljika.Organska vlakna (na bazi viskoze, na bazi smole, na bazi poliakrilonitrila, itd.) se piroliziraju i karboniziraju na visokoj temperaturi kako bi se formirala ugljična kičma.
Kao nova generacija ojačanih vlakana, karbonska vlakna imaju izvrsna mehanička i hemijska svojstva.Ne samo da ima svojstvene karakteristike karbonskih materijala, već ima i mekoću i mogućnost obrade tekstilnih vlakana.Stoga se naširoko koristi u vazduhoplovstvu, energetskoj opremi, transportu, sportu i rekreaciji
Mala težina: kao strateški novi materijal sa odličnim performansama, gustoća karbonskih vlakana je skoro ista kao i magnezijum i berilijum, manja od 1/4 od čelika.Korištenje kompozita od karbonskih vlakana kao konstrukcijskog materijala može smanjiti strukturnu težinu za 30% – 40%.
Visoka čvrstoća i visoki modul: specifična čvrstoća karbonskih vlakana je 5 puta veća od čelika i 4 puta veća od legure aluminijuma;Specifični modul je 1,3-12,3 puta veći od ostalih konstrukcijskih materijala.
Mali koeficijent ekspanzije: koeficijent toplinskog širenja većine karbonskih vlakana je negativan na sobnoj temperaturi, 0 na 200-400 ℃, i samo 1,5 na manje od 1000 ℃ × 10-6 / K, nije lako proširiti i deformirati zbog visoke radne snage temperaturu.
Dobra otpornost na hemijsku koroziju: karbonska vlakna imaju visok sadržaj čistog ugljika, a ugljik je jedan od najstabilnijih hemijskih elemenata, što rezultira njegovim vrlo stabilnim performansama u kiseloj i alkalnoj sredini, od čega se mogu napraviti sve vrste hemijskih antikorozivnih proizvoda.
Snažna otpornost na zamor: struktura karbonskih vlakana je stabilna.Prema statistici polimerne mreže, nakon miliona ciklusa ispitivanja na zamor od naprezanja, stopa zadržavanja čvrstoće kompozita je i dalje 60%, dok je čelik 40%, aluminij 30%, a plastika ojačana staklenim vlaknima samo 20%. % – 25%.
Kompozit od karbonskih vlakana je ponovno jačanje karbonskih vlakana.Iako se karbonska vlakna mogu koristiti sama i imaju određenu funkciju, ipak su to krhki materijal.Samo kada se kombinuje sa matričnim materijalom da bi se formirao kompozit od karbonskih vlakana, može dati bolju igru svojim mehaničkim svojstvima i nositi više opterećenja.
Ugljična vlakna se mogu klasificirati prema različitim dimenzijama kao što su tip prekursora, način proizvodnje i performanse
Prema vrsti prekursora: na bazi poliakrilonitrila (Pan), na bazi smole (izotropni, mezofazni);Viskozna baza (celulozna baza, rajonska baza).Među njima, karbonska vlakna na bazi poliakrilonitrila (Pan) zauzimaju glavnu poziciju, a njihova proizvodnja čini više od 90% ukupnih karbonskih vlakana, dok karbonska vlakna na bazi viskoze zauzimaju manje od 1%.
Prema proizvodnim uvjetima i metodama: karbonska vlakna (800-1600 ℃), grafitna vlakna (2000-3000 ℃), vlakna od aktivnog uglja, karbonska vlakna uzgojena na pari.
Prema mehaničkim svojstvima, može se podijeliti na opći tip i tip visokih performansi: čvrstoća karbonskih vlakana opšteg tipa je oko 1000 MPa, a modul je oko 100 GPa;Tip visokih performansi se može podijeliti na tip visoke čvrstoće (snaga 2000mPa, modul 250gpa) i model visokog (modulus 300gpa ili više), među kojima se snaga veća od 4000mpa naziva i tip ultra visoke čvrstoće, a modul veći od 450gpa je nazvan ultra-visoki model.
Prema veličini vuče, može se podijeliti na malu vuču i veliku vuču: mala vučna karbonska vlakna su uglavnom 1K, 3K i 6K u početnoj fazi, a postupno se razvijaju u 12K i 24K, koja se uglavnom koriste u zrakoplovstvu, sportu i polja 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 zatezni modul su dva glavna indeksa za procjenu svojstava karbonskih vlakana.Na osnovu toga, Kina je 2011. godine proglasila nacionalni standard za karbonska vlakna na bazi PAN (GB / t26752-2011). Istovremeno, zbog Torayjeve apsolutne vodeće prednosti u globalnoj industriji karbonskih vlakana, većina domaćih proizvođača također usvaja Torayjev standard klasifikacije kao referenca.
1.2 visoke barijere donose visoku dodatnu vrijednost.Poboljšanje procesa i realizacija masovne proizvodnje može značajno smanjiti troškove i povećati efikasnost
1.2.1 tehnička barijera industrije je visoka, proizvodnja prekursora je srž, a karbonizacija i oksidacija su ključni
Proces proizvodnje karbonskih vlakana je složen, koji zahtijeva visoku opremu i tehnologiju.Kontrola preciznosti, temperature i vremena svake karike uvelike će uticati na kvalitetu finalnog proizvoda.Poliakrilonitrilna karbonska vlakna postala su najšire korištena i trenutno najučinkovitija karbonska vlakna zbog relativno jednostavnog procesa pripreme, niske cijene proizvodnje i praktičnog odlaganja tri otpada.Glavna sirovina propan može biti napravljena od 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 dobijen selektivnom katalitičkom dehidrogenacijom (PDH) propana;
Akrilonitril je dobiven amoksidacijom propilena.Prekursor poliakrilonitrila (Pan) dobijen je polimerizacijom i centrifugiranjem akrilonitrila;
Poliakrilonitril se prethodno oksidira, karbonizira na niskoj i visokoj temperaturi kako bi se dobila karbonska vlakna, koja se mogu napraviti u tkaninu od karbonskih vlakana i prepreg od karbonskih vlakana za proizvodnju kompozita od karbonskih vlakana;
Ugljična vlakna se kombiniraju sa smolom, keramikom i drugim materijalima kako bi se formirali kompoziti od karbonskih vlakana.Konačno, konačni proizvodi za daljnje primjene dobivaju se različitim procesima oblikovanja;
Kvalitet i nivo performansi prekursora direktno određuju konačne performanse karbonskih vlakana.Stoga, poboljšanje kvalitete otopine za predenje i optimizacija faktora 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 inostranstvu, među kojima je mokro predenje najšire korišteno.
Mokro predenje prvo istiskuje rastvor za predenje iz otvora za predenje, a rastvor za predenje ulazi u koagulacionu kupku u obliku malog toka.Mehanizam predenja poliakrilonitrilnog rastvora za predenje je da postoji veliki jaz između koncentracije DMSO u rastvoru za predenje i koagulacionoj kupki, a takođe postoji i veliki jaz između koncentracije vode u koagulacionoj kupki i rastvora poliakrilonitrila.Pod interakcijom gornje dvije razlike koncentracije, tekućina počinje da difundira u dva smjera, i konačno se kondenzira u filamente kroz prijenos mase, prijenos topline, kretanje ravnoteže faza i druge procese.
U proizvodnji prekursora, zaostala količina DMSO, veličina vlakana, čvrstoća monofilamenta, modul, istezanje, sadržaj ulja i skupljanje kipuće vode postaju ključni faktori koji utiču na kvalitet prekursora.Uzimajući za primjer preostalu količinu DMSO-a, ona ima utjecaj na prividna svojstva prekursora, stanje poprečnog presjeka i CV vrijednost konačnog proizvoda od karbonskih vlakana.Što je manja zaostala količina DMSO, to su performanse proizvoda veće.U proizvodnji se DMSO uglavnom uklanja pranjem, pa kako kontrolirati temperaturu pranja, vrijeme, količinu osoljene vode i količinu ciklusa pranja postaje važna karika.
Visokokvalitetni prekursor poliakrilonitrila treba da ima sledeće karakteristike: visoku gustinu, visoku kristalnost, odgovarajuću čvrstoću, kružni poprečni presek, manje fizičkih defekata, glatku površinu i jednoliku i gustu strukturu jezgra kože.
Kontrola temperature karbonizacije i oksidacije je ključna.Karbonizacija i oksidacija je bitan korak u proizvodnji konačnih proizvoda od karbonskih vlakana od prekursora.U ovom koraku treba precizno kontrolirati točnost i raspon temperature, inače će zatezna čvrstoća proizvoda od karbonskih vlakana biti značajno pogođena, pa čak i dovesti do loma žice
Preoksidacija (200-300 ℃): u procesu preoksidacije, PAN prekursor se polako i blago oksidira primjenom određene napetosti u oksidirajućoj atmosferi, formirajući veliki broj prstenastih struktura na bazi pan pravog lanca, tako da se postići svrhu izdržavanja tretmana na višim temperaturama.
Karbonizacija (maksimalna temperatura ne niža od 1000 ℃): proces karbonizacije treba izvoditi u inertnoj atmosferi.U ranoj fazi karbonizacije, pan lanac puca i počinje reakcija umrežavanja;Sa povećanjem temperature, reakcija termičke razgradnje počinje da oslobađa veliki broj gasova malih molekula, a grafitna struktura počinje da se formira;Kada se temperatura dalje povećala, sadržaj ugljika se brzo povećao i karbonska vlakna su počela da se formiraju.
Grafitizacija (temperatura obrade iznad 2000 ℃): grafitizacija nije neophodan proces za proizvodnju karbonskih vlakana, već opcioni 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 grafitnu mrežastu strukturu, a struktura se integriše izvlačenjem kako bi se dobio konačni proizvod.
Visoke tehničke barijere daju nizvodnim proizvodima visoku dodanu vrijednost, a cijena zrakoplovnih kompozita je 200 puta veća od cijene sirove svile.Zbog velike težine pripreme karbonskih vlakana i složenog procesa, što je više proizvoda nizvodno, to je veća dodana vrijednost.Posebno za visokokvalitetne kompozite od karbonskih vlakana koji se koriste u vazduhoplovstvu, budući da kupci u daljem toku imaju veoma stroge zahteve u pogledu njegove pouzdanosti i stabilnosti, cena proizvoda takođe pokazuje geometrijski višestruki rast u poređenju sa običnim ugljeničnim vlaknima.
Vrijeme objave: Jul-22-2021