Kolfiber, känd som kungen av nya material på 2000-talet, är en ljus pärla i material.Kolfiber (CF) är en sorts oorganisk fiber med mer än 90 % kolhalt.Organiska fibrer (viskosbaserade, beckbaserade, polyakrylnitrilbaserade fibrer, etc.) pyrolyseras och karboniseras vid hög temperatur för att bilda kolryggrad.
Som en ny generation av armerad fiber har kolfiber utmärkta mekaniska och kemiska egenskaper.Det har inte bara de inneboende egenskaperna hos kolmaterial, utan har också textilfiberns mjukhet och bearbetbarhet.Därför används det i stor utsträckning inom flyg-, energiutrustning, transport, sport och fritidsområden
Låg vikt: som ett strategiskt nytt material med utmärkta prestanda är kolfiberns densitet nästan samma som för magnesium och beryllium, mindre än 1/4 av stålets.Att använda kolfiberkomposit som strukturmaterial kan minska den strukturella vikten med 30% – 40%.
Hög hållfasthet och hög modul: den specifika hållfastheten för kolfiber är 5 gånger högre än den för stål och 4 gånger högre än den för aluminiumlegering;Den specifika modulen är 1,3-12,3 gånger för andra strukturella material.
Liten expansionskoefficient: den termiska expansionskoefficienten för de flesta kolfibrer är negativ vid rumstemperatur, 0 vid 200-400 ℃ och endast 1,5 vid mindre än 1000 ℃ × 10-6 / K, inte lätt att expandera och deformera på grund av hög bearbetning temperatur.
Bra kemisk korrosionsbeständighet: kolfiber har högt innehåll av rent kol, och kol är ett av de mest stabila kemiska elementen, vilket resulterar i dess mycket stabila prestanda i sura och alkaliska miljöer, som kan göras till alla typer av kemiska antikorrosionsprodukter.
Stark utmattningsbeständighet: strukturen av kolfiber är stabil.Enligt statistiken för polymernätverk, efter miljontals cykler av spänningsutmattningstest, är kompositens hållfasthetsretention fortfarande 60%, medan stålets är 40%, aluminium är 30% och glasfiberarmerad plast är bara 20 % – 25 %.
Kolfiberkomposit är återförstärkningen av kolfiber.Även om kolfiber kan användas ensamt och spela en viss funktion, är det trots allt ett sprött material.Endast när den kombineras med matrismaterialet för att bilda kolfiberkomposit kan den ge bättre spel åt dess mekaniska egenskaper och bära mer belastning.
Kolfibrer kan klassificeras efter olika dimensioner såsom prekursortyp, tillverkningsmetod och prestanda
Beroende på typen av prekursor: polyakrylnitril (Pan) baserad, beckbaserad (isotropisk, mesofas);Viskosbas (cellulosabas, rayonbas).Bland dem intar polyakrylnitril (Pan)-baserad kolfiber huvudfåran, och dess produktion står för mer än 90 % av den totala kolfibern, medan viskosbaserad kolfiber står för mindre än 1 %.
Enligt tillverkningsförhållandena och metoderna: kolfiber (800-1600 ℃), grafitfiber (2000-3000 ℃), aktiverad kolfiber, ångodlad kolfiber.
Enligt de mekaniska egenskaperna kan den delas in i allmän typ och högpresterande typ: styrkan hos allmän typ av kolfiber är cirka 1000 MPa, och modulen är cirka 100GPa;Högpresterande typ kan delas in i höghållfast typ (styrka 2000mPa, modul 250gpa) och hög modell (modul 300gpa eller mer), bland vilka styrkan större än 4000mpa också kallas ultrahöghållfast typ, och modulen större än 450gpa är kallad ultrahög modell.
Beroende på storleken på släp kan den delas in i liten släp och stor släpa: liten dragkolfiber är huvudsakligen 1K, 3K och 6K i det inledande skedet och utvecklas gradvis till 12K och 24K, som huvudsakligen används inom flyg, sport och fritidsfält.Kolfibrer över 48K brukar kallas stora dragkolfibrer, inklusive 48K, 60K, 80K, etc., som främst används inom industriområden.
Draghållfasthet och dragmodul är två huvudindex för att utvärdera egenskaperna hos kolfiber.Baserat på detta offentliggjorde Kina den nationella standarden för PAN-baserad kolfiber (GB / t26752-2011) 2011. Samtidigt, på grund av Torays absolut ledande fördel i den globala kolfiberindustrin, antar de flesta inhemska tillverkare också Torays klassificeringsstandard som referens.
1.2 höga barriärer ger högt mervärde.Att förbättra processen och realisera massproduktion kan avsevärt minska kostnaderna och öka effektiviteten
1.2.1 industrins tekniska barriär är hög, prekursorproduktionen är kärnan och karbonisering och oxidation är nyckeln
Produktionsprocessen av kolfiber är komplex, vilket kräver hög utrustning och teknik.Kontrollen av precision, temperatur och tid för varje länk kommer att i hög grad påverka kvaliteten på slutprodukten.Polyakrylnitril kolfiber har blivit den mest använda och den högsta produktionen av kolfiber för närvarande på grund av dess relativt enkla beredningsprocess, låga produktionskostnad och bekväma bortskaffande av tre avfall.Huvudråvaran propan kan tillverkas av råolja, och PAN-kolfiberindustrins kedja inkluderar en komplett tillverkningsprocess från primärenergi till terminalapplikation.
Efter att propan framställts från råolja erhölls propen genom selektiv katalytisk dehydrering (PDH) av propan;
Akrylnitril erhölls genom ammoxidation av propen.Polyakrylnitril (Pan) prekursor erhölls genom polymerisation och spinning av akrylnitril;
Polyakrylnitril är föroxiderad, karboniserad vid låg och hög temperatur för att erhålla kolfiber, som kan göras till kolfibertyg och kolfiberprepreg för produktion av kolfiberkompositer;
Kolfiber kombineras med harts, keramik och andra material för att bilda kolfiberkompositer.Slutligen erhålls slutprodukterna för nedströmsapplikationer genom olika formningsprocesser;
Kvaliteten och prestandanivån för prekursor bestämmer direkt den slutliga prestandan för kolfiber.Därför blir förbättring av kvaliteten på spinnlösningen och optimering av faktorerna för bildning av prekursorer nyckelpunkterna för att förbereda kolfiber av hög kvalitet.
Enligt "Forskning om produktionsprocess av polyakrylnitrilbaserad kolfiberprekursor" omfattar spinningsprocessen huvudsakligen tre kategorier: våtspinning, torrspinning och torr våtspinning.För närvarande används våtspinning och torr våtspinning huvudsakligen för att producera polyakrylnitrilprekursor hemma och utomlands, bland vilka våtspinning är den mest använda.
Våtspinning extruderar först spinnlösningen från spinnmunstyckets hål och spinnlösningen kommer in i koaguleringsbadet i form av ett litet flöde.Spinnmekanismen för polyakrylnitrilspinningslösning är att det finns ett stort gap mellan koncentrationen av DMSO i spinnlösning och koagulationsbad, och det finns också ett stort gap mellan koncentrationen av vatten i koagulationsbad och polyakrylnitrillösning.Under växelverkan mellan ovanstående två koncentrationsskillnader börjar vätskan diffundera i två riktningar och kondenseras slutligen till filament genom massöverföring, värmeöverföring, fasjämviktsrörelse och andra processer.
Vid produktion av prekursor blir restmängden DMSO, fiberstorlek, monofilamentstyrka, modul, töjning, oljehalt och kokande vatten krympning nyckelfaktorer som påverkar prekursorns kvalitet.Om man tar den kvarvarande mängden DMSO som ett exempel, har det inflytande på de uppenbara egenskaperna hos prekursor, tvärsnittstillstånd och CV-värde för den slutliga kolfiberprodukten.Ju lägre restmängd DMSO, desto högre prestanda har produkten.I produktionen avlägsnas DMSO huvudsakligen genom tvättning, så hur man kontrollerar tvätttemperaturen, tiden, mängden avsaltat vatten och mängden tvättcykel blir en viktig länk.
Högkvalitativ polyakrylnitrilprekursor bör ha följande egenskaper: hög densitet, hög kristallinitet, lämplig styrka, cirkulärt tvärsnitt, mindre fysiska defekter, slät yta och enhetlig och tät hudkärnstruktur.
Temperaturkontroll av förkolning och oxidation är nyckeln.Karbonisering och oxidation är ett viktigt steg i produktionen av kolfiberslutprodukter från prekursorer.I detta steg bör noggrannheten och temperaturintervallet kontrolleras noggrant, annars kommer draghållfastheten hos kolfiberprodukter att påverkas avsevärt och till och med leda till trådbrott
Föroxidation (200-300 ℃): i föroxidationsprocessen oxideras PAN-prekursorn långsamt och milt genom att applicera en viss spänning i den oxiderande atmosfären, vilket bildar ett stort antal ringstrukturer på basis av pannan rak kedja, för att uppnå syftet att motstå behandling vid högre temperaturer.
Karbonisering (maximal temperatur inte lägre än 1000 ℃): förkolningsprocessen bör utföras i inert atmosfär.I det tidiga skedet av karboniseringen bryts pannkedjan och tvärbindningsreaktionen börjar;Med ökningen av temperaturen börjar den termiska nedbrytningsreaktionen att frigöra ett stort antal små molekylgaser, och grafitstrukturen börjar bildas;När temperaturen ökade ytterligare ökade kolhalten snabbt och kolfibern började bildas.
Grafitisering (behandlingstemperatur över 2000 ℃): grafitisering är inte en nödvändig process för produktion av kolfiber, utan en valfri process.Om hög elasticitetsmodul för kolfiber förväntas, behövs grafitisering;Om hög hållfasthet av kolfiber förväntas, är grafitisering inte nödvändig.I grafitiseringsprocessen gör hög temperatur att fibern bildar en utvecklad grafitnätstruktur, och strukturen integreras genom att rita för att få den slutliga produkten.
Höga tekniska barriärer ger nedströmsprodukterna ett högt mervärde, och priset på flygkompositer är 200 gånger högre än priset på råsilke.På grund av den höga svårigheten med kolfiberberedning och komplex process, ju mer nedströms produkterna är, desto högre mervärde.Speciellt för de avancerade kolfiberkompositerna som används inom flygindustrin, eftersom nedströmskunderna har mycket stränga krav på dess tillförlitlighet och stabilitet, visar produktpriset också en geometrisk multipel tillväxt jämfört med den vanliga kolfibern.
Posttid: 22 juli 2021