Diepe analyse van de koolstofvezelindustrie: hoge groei, grote ruimte voor nieuwe materialen en hoogwaardige sporen

Koolstofvezel, bekend als de koning van nieuwe materialen in de 21e eeuw, is een heldere parel in materialen.Koolstofvezel (CF) is een soort anorganische vezel met een koolstofgehalte van meer dan 90%.Organische vezels (op basis van viscose, pek, vezels op basis van polyacrylonitril, enz.) worden bij hoge temperatuur gepyrolyseerd en gecarboniseerd om koolstofskelet te vormen.

Als nieuwe generatie versterkte vezels heeft koolstofvezel uitstekende mechanische en chemische eigenschappen.Het heeft niet alleen de inherente eigenschappen van koolstofmaterialen, maar heeft ook de zachtheid en verwerkbaarheid van textielvezels.Daarom wordt het veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, energieapparatuur, transport, sport en vrije tijd

Lichtgewicht: als strategisch nieuw materiaal met uitstekende prestaties is de dichtheid van koolstofvezel bijna hetzelfde als die van magnesium en beryllium, minder dan 1/4 van die van staal.Het gebruik van koolstofvezelcomposiet als structureel materiaal kan het structurele gewicht met 30% – 40% verminderen.

Hoge sterkte en hoge modulus: de specifieke sterkte van koolstofvezel is 5 keer hoger dan die van staal en 4 keer hoger dan die van aluminiumlegering;De specifieke modulus is 1,3-12,3 keer die van andere structurele materialen.

Kleine uitzettingscoëfficiënt: de thermische uitzettingscoëfficiënt van de meeste koolstofvezels is negatief bij kamertemperatuur, 0 bij 200-400 ℃ en slechts 1,5 bij minder dan 1000 ℃ × 10-6 / K, niet gemakkelijk uit te zetten en te vervormen vanwege de hoge werking temperatuur.

Goede chemische corrosieweerstand: koolstofvezel heeft een hoog zuiver koolstofgehalte en koolstof is een van de meest stabiele chemische elementen, wat resulteert in zijn zeer stabiele prestaties in een zure en alkalische omgeving, die kan worden verwerkt tot allerlei chemische corrosiewerende producten.

Sterke weerstand tegen vermoeidheid: de structuur van koolstofvezel is stabiel.Volgens de statistieken van het polymeernetwerk is het sterktebehoud van het composiet na miljoenen cycli van spanningsvermoeidheidstests nog steeds 60%, terwijl dat van staal 40% is, aluminium 30% en glasvezelversterkte kunststof slechts 20%. % – 25%.

Koolstofvezelcomposiet is de herversterking van koolstofvezel.Hoewel koolstofvezel op zichzelf kan worden gebruikt en een specifieke functie kan vervullen, is het toch een bros materiaal.Alleen wanneer het wordt gecombineerd met het matrixmateriaal om koolstofvezelcomposiet te vormen, kan het zijn mechanische eigenschappen beter benutten en meer lasten dragen.

Koolstofvezels kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende dimensies, zoals het type precursor, de productiemethode en de prestaties

Afhankelijk van het type precursor: op polyacrylonitril (Pan) gebaseerd, op pek gebaseerd (isotroop, mesofase);Viscosebasis (cellulosebasis, rayonbasis).Onder hen neemt polyacrylonitril (Pan) gebaseerde koolstofvezel de mainstream positie in, en de productie ervan is goed voor meer dan 90% van de totale koolstofvezel, terwijl op viscose gebaseerde koolstofvezel minder dan 1% voor zijn rekening neemt.

Volgens de productieomstandigheden en -methoden: koolstofvezel (800-1600 ℃), grafietvezel (2000-3000 ℃), actieve koolstofvezel, dampgegroeide koolstofvezel.

Volgens de mechanische eigenschappen kan het worden onderverdeeld in het algemene type en het krachtige type: de sterkte van koolstofvezel van het algemene type is ongeveer 1000 MPa en de modulus is ongeveer 100 GPa;Het type met hoge prestaties kan worden onderverdeeld in het type met hoge sterkte (sterkte 2000 mPa, modulus 250 gpa) en hoog model (modulus 300 gpa of meer), waarbij de sterkte groter dan 4000 mpa ook het type met ultrahoge sterkte wordt genoemd en de modulus groter dan 450 gpa is ultrahoog model genoemd.

Afhankelijk van de grootte van de kabel, kan deze worden onderverdeeld in een kleine kabel en een grote kabel: de koolstofvezel voor kleine kabels is in de beginfase voornamelijk 1K, 3K en 6K en ontwikkelde zich geleidelijk tot 12K en 24K, die voornamelijk wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, sport en recreatiegebieden.Koolstofvezels boven 48K worden gewoonlijk grote koolstofvezels genoemd, waaronder 48K, 60K, 80K, enz., die voornamelijk in industriële velden worden gebruikt.

Treksterkte en trekmodulus zijn twee hoofdindexen om de eigenschappen van koolstofvezel te evalueren.Op basis hiervan heeft China in 2011 de nationale norm voor op PAN gebaseerde koolstofvezel (GB / t26752-2011) afgekondigd. Tegelijkertijd nemen de meeste binnenlandse fabrikanten, vanwege het absolute leidende voordeel van Toray in de mondiale koolstofvezelindustrie, ook de classificatienorm van Toray over. als een referentie.

1.2 hoge barrières zorgen voor een hoge toegevoegde waarde.Het verbeteren van processen en het realiseren van massaproductie kan de kosten aanzienlijk verlagen en de efficiëntie verhogen

1.2.1 de technische barrière van de industrie is hoog, de productie van precursoren vormt de kern en de carbonisatie en oxidatie zijn de sleutel

Het productieproces van koolstofvezel is complex en vereist hoogwaardige apparatuur en technologie.De controle van de precisie, temperatuur en tijd van elke schakel zal een grote invloed hebben op de kwaliteit van het eindproduct.Polyacrylonitril-koolstofvezel is momenteel de meest gebruikte koolstofvezel met de hoogste output geworden vanwege het relatief eenvoudige bereidingsproces, de lage productiekosten en de gemakkelijke verwijdering van drie soorten afval.De belangrijkste grondstof propaan kan worden gemaakt uit ruwe olie, en de PAN-koolstofvezelindustrieketen omvat een compleet productieproces, van primaire energie tot terminaltoepassing.

Nadat propaan uit ruwe olie was bereid, werd propeen verkregen door selectieve katalytische dehydrogenering (PDH) van propaan;

Acrylonitril werd verkregen door ammoxidatie van propyleen.Polyacrylonitril (Pan)-precursor werd verkregen door polymerisatie en spinnen van acrylonitril;

Polyacrylonitril wordt voorgeoxideerd, gecarboniseerd bij lage en hoge temperaturen om koolstofvezels te verkrijgen, die kunnen worden verwerkt tot koolstofvezelweefsel en koolstofvezelprepreg voor de productie van koolstofvezelcomposieten;

Koolstofvezel wordt gecombineerd met hars, keramiek en andere materialen om koolstofvezelcomposieten te vormen.Ten slotte worden de eindproducten voor verdere toepassingen verkregen door verschillende vormprocessen;

De kwaliteit en het prestatieniveau van de voorloper bepalen rechtstreeks de uiteindelijke prestaties van koolstofvezel.Daarom worden het verbeteren van de kwaliteit van de spinoplossing en het optimaliseren van de factoren van precursorvorming de belangrijkste punten bij het bereiden van hoogwaardige koolstofvezels.

Volgens “Onderzoek naar het productieproces van op polyacrylonitril gebaseerde koolstofvezelvoorloper” omvat het spinproces hoofdzakelijk drie categorieën: nat spinnen, droog spinnen en droog nat spinnen.Momenteel worden natspinnen en droog-natspinnen voornamelijk gebruikt om polyacrylonitrilvoorlopers in binnen- en buitenland te produceren, waarvan natspinnen het meest wordt gebruikt.

Nat spinnen extrudeert eerst de spinoplossing uit het spindopgat, en de spinoplossing komt in de vorm van een kleine stroom het coagulatiebad binnen.Het spinmechanisme van de polyacrylonitril-spinoplossing is dat er een grote kloof is tussen de concentratie DMSO in de spinoplossing en het coagulatiebad, en er is ook een grote kloof tussen de concentratie van water in het coagulatiebad en de polyacrylonitril-oplossing.Onder de interactie van de bovengenoemde twee concentratieverschillen begint de vloeistof in twee richtingen te diffunderen en condenseert uiteindelijk tot filamenten door middel van massaoverdracht, warmteoverdracht, fase-evenwichtsbeweging en andere processen.

Bij de productie van precursoren worden de resterende hoeveelheid DMSO, de vezelgrootte, de sterkte van het monofilament, de modulus, de rek, het oliegehalte en de krimp bij kokend water de belangrijkste factoren die de kwaliteit van de precursor beïnvloeden.Als we de resterende hoeveelheid DMSO als voorbeeld nemen, heeft dit invloed op de schijnbare eigenschappen van de precursor, de dwarsdoorsnede en de CV-waarde van het uiteindelijke koolstofvezelproduct.Hoe lager de resthoeveelheid DMSO, hoe hoger de prestatie van het product.Bij de productie wordt DMSO voornamelijk verwijderd door wassen, dus het beheersen van de wastemperatuur, de tijd, de hoeveelheid ontzout water en de hoeveelheid wascyclus wordt een belangrijke schakel.

Polyacrylonitrilvoorloper van hoge kwaliteit moet de volgende kenmerken hebben: hoge dichtheid, hoge kristalliniteit, geschikte sterkte, cirkelvormige dwarsdoorsnede, minder fysieke defecten, glad oppervlak en uniforme en dichte huidkernstructuur.

Temperatuurbeheersing van carbonisatie en oxidatie is de sleutel.Carbonisatie en oxidatie zijn een essentiële stap in de productie van koolstofvezel-eindproducten uit een precursor.In deze stap moeten de nauwkeurigheid en het temperatuurbereik nauwkeurig worden gecontroleerd, anders zal de treksterkte van koolstofvezelproducten aanzienlijk worden beïnvloed en zelfs tot draadbreuk leiden

Preoxidatie (200-300 ℃): tijdens het preoxidatieproces wordt de PAN-voorloper langzaam en mild geoxideerd door een bepaalde spanning in de oxiderende atmosfeer uit te oefenen, waardoor een groot aantal ringstructuren wordt gevormd op basis van de rechte pan-keten, om zo bereik het doel om hogere temperatuurbehandeling te weerstaan.

Carbonisatie (maximumtemperatuur niet lager dan 1000 ℃): het carbonisatieproces moet worden uitgevoerd in een inerte atmosfeer.In het vroege stadium van de carbonisatie breekt de pan-keten en begint de verknopingsreactie;Met de stijging van de temperatuur begint de thermische ontledingsreactie een groot aantal kleine molecuulgassen vrij te geven en begint de grafietstructuur zich te vormen;Toen de temperatuur verder steeg, nam het koolstofgehalte snel toe en begon de koolstofvezel zich te vormen.

Grafitisering (behandelingstemperatuur boven 2000 ℃): grafitisering is geen noodzakelijk proces voor de productie van koolstofvezels, maar een optioneel proces.Als een hoge elasticiteitsmodulus van koolstofvezel wordt verwacht, is grafitisering nodig;Als een hoge sterkte van koolstofvezel wordt verwacht, is grafitisering niet nodig.Bij het grafitiseringsproces zorgt hoge temperatuur ervoor dat de vezel een ontwikkelde grafietgaasstructuur vormt, en de structuur wordt geïntegreerd door te tekenen om het eindproduct te krijgen.

Hoge technische barrières geven de downstream-producten een hoge toegevoegde waarde, en de prijs van luchtvaartcomposieten is 200 keer hoger dan die van ruwe zijde.Vanwege de hoge moeilijkheidsgraad van de koolstofvezelvoorbereiding en het complexe proces geldt: hoe verder de producten stroomafwaarts, hoe hoger de toegevoegde waarde.Vooral voor de hoogwaardige koolstofvezelcomposieten die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, vertoont de productprijs, omdat de downstream-klanten zeer strenge eisen stellen aan de betrouwbaarheid en stabiliteit ervan, ook een geometrische meervoudige groei vergeleken met de gewone koolstofvezel.


Posttijd: 22 juli 2021