ניתוח מעמיק של תעשיית סיבי הפחמן: צמיחה גבוהה, מרחב רחב של חומרים חדשים ומסלול באיכות גבוהה

סיבי פחמן, הידועים כמלך החומרים החדשים במאה ה-21, הם פנינה בהירה בחומרים.סיבי פחמן (CF) הם סוג של סיבים אנאורגניים עם יותר מ-90% תכולת פחמן.סיבים אורגניים (על בסיס ויסקוזה, על בסיס זפת, סיבים על בסיס פולי-אקרילוניטריל וכו') עוברים פירוליזה ומופחמים בטמפרטורה גבוהה ליצירת עמוד שדרה של פחמן.

כדור חדש של סיבים מחוזקים, לסיבי פחמן תכונות מכניות וכימיות מצוינות.יש לו לא רק את המאפיינים הטבועים של חומרי פחמן, אלא יש לו גם את הרכות ויכולת העיבוד של סיבי טקסטיל.לכן, הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי תעופה וחלל, ציוד אנרגיה, תחבורה, ספורט ופנאי

משקל קל: כחומר אסטרטגי חדש עם ביצועים מצוינים, צפיפות סיבי הפחמן כמעט זהה לזו של מגנזיום ובריליום, פחות מ-1/4 מזו של פלדה.שימוש ברכיבי סיבי פחמן כחומר מבני יכול להפחית את המשקל המבני ב-30% - 40%.

חוזק גבוה ומודולוס גבוה: החוזק הספציפי של סיבי פחמן גבוה פי 5 מזה של פלדה ופי 4 מזה של סגסוגת אלומיניום;המודול הספציפי הוא פי 1.3-12.3 מחומרים מבניים אחרים.

מקדם התפשטות קטן: מקדם ההתפשטות התרמית של רוב סיבי הפחמן הוא שלילי בטמפרטורת החדר, 0 ב-200-400 ℃, ורק 1.5 בפחות מ-1000 ℃ × 10-6/K, לא קל להרחיב ולעוות עקב עבודה גבוהה טֶמפֶּרָטוּרָה.

עמידות בפני קורוזיה כימית טובה: לסיבי פחמן יש תכולת פחמן טהורה גבוהה, ופחמן הוא אחד היסודות הכימיים היציבים ביותר, וכתוצאה מכך הביצועים היציבים ביותר שלו בסביבת חומצה ואלקלי, שניתן להפוך אותם לכל מיני מוצרים כימיים נגד קורוזיה.

עמידות חזקה לעייפות: המבנה של סיבי פחמן יציב.על פי הסטטיסטיקה של רשת פולימר, לאחר מיליוני מחזורים של בדיקת עייפות מתח, שיעור שימור החוזק של החומר המרוכב הוא עדיין 60%, בעוד זה של פלדה הוא 40%, אלומיניום הוא 30%, ופלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית הוא רק 20 % – 25%.

סיבי פחמן מורכב הוא חיזוק מחדש של סיבי פחמן.למרות שניתן להשתמש בסיבי פחמן לבד ולמלא תפקיד מסוים, זה חומר שביר אחרי הכל.רק כאשר הוא משולב עם החומר המטריצה ​​ליצירת סיבי פחמן מרוכבים, הוא יכול לתת משחק טוב יותר לתכונות המכניות שלו ולשאת יותר עומסים.

ניתן לסווג סיבי פחמן לפי ממדים שונים כגון סוג מבשר, שיטת ייצור וביצועים

לפי סוג המבשר: מבוסס פולי-אקרילוניטריל (פאן), מבוסס זפת (איזוטרופי, מזופאז);בסיס ויסקוזה (בסיס תאית, בסיס זהורית).ביניהם, סיבי פחמן מבוססי פולי-אקרילוניטריל (פאן) תופסים את עמדת הזרם המרכזי, והתפוקה שלו מהווה יותר מ-90% מסך סיבי הפחמן, בעוד שסיבי פחמן מבוססי ויסקוזה מהווים פחות מ-1%.

על פי תנאי ושיטות הייצור: סיבי פחמן (800-1600 ℃), סיבי גרפיט (2000-3000 ℃), סיבי פחמן פעיל, סיבי פחמן מגודלים באדים.

על פי המאפיינים המכניים, ניתן לחלק אותו לסוג כללי וסוג בעל ביצועים גבוהים: החוזק של סיבי פחמן מהסוג הכללי הוא כ-1000MPa, והמודלוס הוא כ-100GPa;ניתן לחלק סוג ביצועים גבוהים לסוג חוזק גבוה (חוזק 2000mPa, מודולוס 250gpa) ודגם גבוה (מודולוס 300gpa או יותר), ביניהם החוזק הגדול מ-4000mpa נקרא גם סוג חוזק אולטרה-גבוה, והמודלוס הגדול מ-450gpa הוא נקרא דגם אולטרה-גבוה.

על פי גודל הגרר, ניתן לחלקו לגרר קטן ולגרר גדול: סיבי פחמן גרר קטן הם בעיקר 1K, 3K ו-6K בשלב הראשוני, והתפתח בהדרגה ל-12K ו-24K, המשמש בעיקר בתעופה וחלל, ספורט ושדות פנאי.סיבי פחמן מעל 48K נקראים בדרך כלל סיבי פחמן גרר גדולים, כולל 48K, 60K, 80K וכו', המשמשים בעיקר בתחומי תעשייה.

חוזק מתיחה ומודול מתיחה הם שני מדדים עיקריים להערכת המאפיינים של סיבי פחמן.בהתבסס על כך, סין פרסמה את התקן הלאומי לסיבי פחמן מבוססי PAN (GB / t26752-2011) בשנת 2011. במקביל, בשל היתרון המוביל של Toray בתעשיית סיבי הפחמן העולמית, רוב היצרנים המקומיים מאמצים גם את תקן הסיווג של Toray בתור התייחסות.

1.2 חסמים גבוהים מביאים ערך מוסף גבוה.שיפור התהליך ומימוש ייצור המוני יכולים להוזיל משמעותית את העלות ולהגדיל את היעילות

1.2.1 המחסום הטכני של התעשייה גבוה, ייצור המבשר הוא הליבה, והפחזום והחמצון הם המפתח

תהליך הייצור של סיבי פחמן הוא מורכב, הדורש ציוד וטכנולוגיה גבוהים.בקרת הדיוק, הטמפרטורה והזמן של כל חוליה תשפיע מאוד על איכות המוצר הסופי.סיבי פחמן פוליאקרילוניטריל הפכו לסיבי הפחמן הנפוצים ביותר ולתפוקה הגבוהה ביותר כיום, בשל תהליך ההכנה הפשוט יחסית שלו, עלות הייצור הנמוכה וסילוק נוח של שלוש פסולת.חומר הגלם העיקרי פרופאן יכול להיות עשוי מנפט גולמי, ושרשרת תעשיית סיבי הפחמן של PAN כוללת תהליך ייצור שלם מאנרגיה ראשונית ועד ליישום סופני.

לאחר הכנת פרופאן מנפט גולמי, פרופילן הושג על ידי דהידרוגנציה קטליטית סלקטיבית (PDH) של פרופאן;

אקרילוניטריל הושג על ידי אמוקסידציה של פרופילן.מבשר פוליאקרילוניטריל (פאן) הושג על ידי פילמור וספינינג של אקרילוניטריל;

פוליאקרילוניטריל מחומצן מראש, מוגז בטמפרטורה נמוכה וגבוהה לקבלת סיבי פחמן, שניתן להפוך אותם לבד סיבי פחמן ולקדם סיבי פחמן לייצור חומרים מרוכבים של סיבי פחמן;

סיבי פחמן משולבים עם שרף, קרמיקה וחומרים אחרים ליצירת חומרים מרוכבים של סיבי פחמן.לבסוף, המוצרים הסופיים ליישומים במורד הזרם מתקבלים בתהליכי דפוס שונים;

האיכות ורמת הביצועים של המבשר קובעות ישירות את הביצועים הסופיים של סיבי פחמן.לכן, שיפור איכות תמיסת הספינינג ואופטימיזציה של גורמי היווצרות המבשר הופכים לנקודות המפתח של הכנת סיבי פחמן באיכות גבוהה.

על פי "מחקר על תהליך ייצור של חומר מבשר סיבי פחמן על בסיס פולי-אקרילוניטריל", תהליך הטוויה כולל בעיקר שלוש קטגוריות: ספינינג רטוב, ספינינג יבש וטווייה רטובה יבשה.כיום, ספינינג רטוב וטווייה רטובה יבשה משמשים בעיקר לייצור מבשר פולי-אקרילוניטריל בבית ומחוצה לו, ביניהם ספינינג רטוב הוא הנפוץ ביותר.

ספינינג רטוב מוציא תחילה את תמיסת הספינינג מחור הסביבון, ותמיסת הספינינג נכנסת לאמבט הקרישה בצורה של זרימה קטנה.מנגנון הספינינג של תמיסת ספינינג פולי-אקרילוניטריל הוא שיש פער גדול בין ריכוז ה-DMSO בתמיסת ספינינג לאמבט קרישה, ויש גם פער גדול בין ריכוז המים באמבט קרישה לתמיסת פולי-אקרילוניטריל.תחת האינטראקציה של שני הפרשי הריכוז לעיל, הנוזל מתחיל להתפזר לשני כיוונים, ולבסוף מתעבה לחוטים באמצעות העברת מסה, העברת חום, תנועת שיווי משקל פאזה ותהליכים אחרים.

בייצור של מבשר, כמות השיורית של DMSO, גודל הסיבים, חוזק מונופילמנט, מודולוס, התארכות, תכולת שמן וכיווץ מים רותחים הופכים לגורמי המפתח המשפיעים על איכות הפרקורסור.אם לוקחים את הכמות השיורית של DMSO כדוגמה, יש לה השפעה על המאפיינים הנראים של מבשר, מצב חתך רוחב וערך CV של מוצר סיבי הפחמן הסופי.ככל שכמות השיורית של DMSO נמוכה יותר, כך הביצועים של המוצר גבוהים יותר.בייצור, DMSO מוסר בעיקר על ידי כביסה, כך כיצד לשלוט בטמפרטורת הכביסה, זמן, כמות המים המותפלים וכמות מחזור הכביסה הופך להיות חוליה חשובה.

מבשר לפוליאקרילוניטריל באיכות גבוהה צריך להיות בעל המאפיינים הבאים: צפיפות גבוהה, גבישיות גבוהה, חוזק מתאים, חתך עגול, פחות פגמים פיזיים, משטח חלק ומבנה ליבת עור אחיד וצפוף.

בקרת טמפרטורה של פחמול וחמצון היא המפתח.קרבוניזציה וחמצון הם שלב חיוני בייצור מוצרים סופיים של סיבי פחמן ממבשר.בשלב זה, יש לשלוט במדויק על הדיוק וטווח הטמפרטורה, אחרת חוזק המתיחה של מוצרי סיבי פחמן יושפע משמעותית, ואף יוביל לשבירת חוט

טרום חמצון (200-300 ℃): בתהליך החמצון המקדים, מבשר ה-PAN מתחמצן באיטיות ובקלות על ידי הפעלת מתח מסוים באטמוספרה המחמצנת, ויוצר מספר רב של מבני טבעת על בסיס השרשרת הישרה של המחבת, כך להשיג את המטרה של עמידה בטיפול בטמפרטורה גבוהה יותר.

קרבוניזציה (טמפרטורה מקסימלית לא נמוכה מ-1000 ℃): תהליך הפחממה צריך להתבצע באווירה אינרטית.בשלב המוקדם של הפחממה, שרשרת המחבת נשברת ומתחילה תגובת הצלוב;עם עליית הטמפרטורה, תגובת הפירוק התרמי מתחילה לשחרר מספר רב של גזי מולקולה קטנים, ומבנה הגרפיט מתחיל להיווצר;כאשר הטמפרטורה עלתה עוד יותר, תכולת הפחמן גדלה במהירות וסיבי הפחמן החלו להיווצר.

גרפיטיזציה (טמפרטורת טיפול מעל 2000 ℃): גרפיטיזציה אינה תהליך הכרחי לייצור סיבי פחמן, אלא תהליך אופציונלי.אם צפוי מודול אלסטי גבוה של סיבי פחמן, יש צורך בגרפיטיזציה;אם צפוי חוזק גבוה של סיבי פחמן, אין צורך בגרפיטיזציה.בתהליך הגרפיטיזציה, טמפרטורה גבוהה גורמת לסיבים ליצור מבנה רשת גרפיט מפותח, והמבנה משולב באמצעות ציור כדי לקבל את המוצר הסופי.

חסמים טכניים גבוהים מקנים למוצרים במורד הזרם ערך מוסף גבוה, ומחירם של חומרים מרוכבים תעופתיים גבוה פי 200 מזה של משי גולמי.בשל הקושי הגבוה של הכנת סיבי פחמן והתהליך המורכב, ככל שהמוצרים במורד הזרם, כך הערך המוסף גבוה יותר.במיוחד עבור חומרי סיבי הפחמן היוקרתיים המשמשים בתחום התעופה והחלל, מכיוון שללקוחות במורד הזרם יש דרישות מחמירות מאוד לגבי האמינות והיציבות שלו, מחיר המוצר מראה גם על גידול מרובה גיאומטרי בהשוואה לסיבי הפחמן הרגילים.