การวิเคราะห์เชิงลึกของอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์: การเติบโตสูง พื้นที่กว้างของวัสดุใหม่ และรางคุณภาพสูง

คาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นที่รู้จักในฐานะราชาแห่งวัสดุใหม่ในศตวรรษที่ 21 ถือเป็นไข่มุกที่สดใสในวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ (CF) เป็นเส้นใยอนินทรีย์ชนิดหนึ่งที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90%เส้นใยอินทรีย์ (เส้นใยวิสโคส เส้นใยพิทช์ โพลีอะคริโลไนไตรล์ ฯลฯ) จะถูกไพโรไลซ์และคาร์บอไนซ์ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างคาร์บอนแบ็คโบน

เนื่องจากเป็นเส้นใยเสริมแรงรุ่นใหม่ คาร์บอนไฟเบอร์จึงมีคุณสมบัติทางกลและทางเคมีที่ดีเยี่ยมไม่เพียงแต่มีลักษณะเฉพาะของวัสดุคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังมีความนุ่มและความสามารถในการแปรรูปของเส้นใยสิ่งทออีกด้วยดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุปกรณ์พลังงาน การขนส่ง กีฬา และการพักผ่อน

น้ำหนักเบา: เนื่องจากเป็นวัสดุใหม่เชิงกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม ความหนาแน่นของคาร์บอนไฟเบอร์จึงเกือบจะเท่ากับความหนาแน่นของแมกนีเซียมและเบริลเลียม ซึ่งน้อยกว่า 1/4 ของความหนาแน่นของเหล็กการใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุโครงสร้างสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้ 30% – 40%

ความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูง: ความแข็งแรงจำเพาะของคาร์บอนไฟเบอร์สูงกว่าเหล็ก 5 เท่าและสูงกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ 4 เท่าโมดูลัสจำเพาะคือ 1.3-12.3 เท่าของวัสดุโครงสร้างอื่นๆ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเล็กน้อย: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเส้นใยคาร์บอนส่วนใหญ่เป็นลบที่อุณหภูมิห้อง 0 ที่ 200-400 ℃ และเพียง 1.5 ที่น้อยกว่า 1,000 ℃ × 10-6 / K ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะขยายและทำให้เสียรูปเนื่องจากการทำงานสูง อุณหภูมิ.

ทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีได้ดี: คาร์บอนไฟเบอร์มีปริมาณคาร์บอนบริสุทธิ์สูงและคาร์บอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบทางเคมีที่เสถียรที่สุด ส่งผลให้มีสมรรถนะที่เสถียรมากในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและด่าง ซึ่งสามารถทำเป็นผลิตภัณฑ์ป้องกันการกัดกร่อนทางเคมีทุกชนิด

ต้านทานความเมื่อยล้าที่แข็งแกร่ง: โครงสร้างของคาร์บอนไฟเบอร์มีเสถียรภาพตามสถิติของเครือข่ายโพลีเมอร์ หลังจากการทดสอบความล้าจากความเครียดหลายล้านรอบ อัตราการรักษาความแข็งแรงของคอมโพสิตยังคงอยู่ที่ 60% ในขณะที่เหล็กอยู่ที่ 40% อลูมิเนียมอยู่ที่ 30% และพลาสติกเสริมใยแก้วมีเพียง 20 % – 25%.

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นการเสริมความแข็งแกร่งของคาร์บอนไฟเบอร์แม้ว่าคาร์บอนไฟเบอร์จะสามารถใช้เดี่ยวๆ และทำหน้าที่เฉพาะได้ แต่ท้ายที่สุดแล้ว มันก็เป็นวัสดุที่เปราะเมื่อนำมารวมกับวัสดุเมทริกซ์เพื่อสร้างเป็นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เท่านั้นจึงจะสามารถให้คุณสมบัติทางกลได้ดีขึ้นและรับน้ำหนักได้มากขึ้น

คาร์บอนไฟเบอร์สามารถจำแนกตามขนาดต่างๆ เช่น ประเภทของสารตั้งต้น วิธีการผลิต และประสิทธิภาพ

ตามประเภทของสารตั้งต้น: โพลีอะคริโลไนไตรล์ (แพน), เบสพิทช์ (ไอโซโทรปิก, มีโซเฟส);ฐานวิสโคส (ฐานเซลลูโลส, ฐานเรยอน)ในหมู่พวกเขา คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีโพลีอะคริโลไนไตรล์ (Pan) ครองตำแหน่งหลัก และผลผลิตของมันคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 90% ของเส้นใยคาร์บอนทั้งหมด ในขณะที่คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีลาย้เหนียวมีสัดส่วนน้อยกว่า 1%

ตามเงื่อนไขและวิธีการผลิต: คาร์บอนไฟเบอร์ (800-1600 ℃), เส้นใยกราไฟท์ (2000-3000 ℃), เส้นใยคาร์บอนกัมมันต์, คาร์บอนไฟเบอร์ที่ปลูกด้วยไอ

ตามคุณสมบัติทางกล มันสามารถแบ่งออกเป็นประเภททั่วไปและประเภทประสิทธิภาพสูง: ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์ประเภททั่วไปอยู่ที่ประมาณ 1,000MPa และโมดูลัสประมาณ 100GPaประเภทประสิทธิภาพสูงสามารถแบ่งออกเป็นประเภทความแข็งแรงสูง (ความแรง 2000mPa โมดูลัส 250gpa) และรุ่นสูง (โมดูลัส 300gpa หรือมากกว่า) ซึ่งความแข็งแกร่งที่มากกว่า 4000mpa เรียกอีกอย่างว่าประเภทความแข็งแรงสูงพิเศษ และโมดูลัสที่มากกว่า 450gpa คือ เรียกว่ารุ่นสูงพิเศษ

ตามขนาดของพ่วง มันสามารถแบ่งออกเป็นพ่วงเล็กและพ่วงใหญ่: คาร์บอนไฟเบอร์พ่วงเล็กส่วนใหญ่เป็น 1K, 3K และ 6K ในระยะเริ่มแรก และค่อยๆ พัฒนาเป็น 12K และ 24K ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการบินและอวกาศ กีฬา และลานพักผ่อนเส้นใยคาร์บอนที่สูงกว่า 48K มักเรียกว่าเส้นใยคาร์บอนลากขนาดใหญ่ ได้แก่ 48K, 60K, 80K เป็นต้น ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในเขตอุตสาหกรรม

ความต้านแรงดึงและโมดูลัสแรงดึงเป็นดัชนีหลักสองประการในการประเมินคุณสมบัติของคาร์บอนไฟเบอร์ด้วยเหตุนี้ จีนจึงได้ประกาศใช้มาตรฐานระดับชาติสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ PAN (GB / t26752-2011) ในปี 2011 ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากความได้เปรียบระดับแนวหน้าที่แท้จริงของ Toray ในอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลก ผู้ผลิตในประเทศส่วนใหญ่จึงนำมาตรฐานการจัดหมวดหมู่ของ Toray มาใช้ เป็นข้อมูลอ้างอิง

1.2 อุปสรรคสูงนำมาซึ่งมูลค่าเพิ่มสูงการปรับปรุงกระบวนการและการตระหนักถึงการผลิตจำนวนมากสามารถลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก

1.2.1 อุปสรรคทางเทคนิคของอุตสาหกรรมอยู่ในระดับสูง การผลิตสารตั้งต้นเป็นแกนหลัก และคาร์บอไนเซชันและออกซิเดชันเป็นกุญแจสำคัญ

กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความซับซ้อนซึ่งต้องใช้อุปกรณ์และเทคโนโลยีสูงการควบคุมความแม่นยำ อุณหภูมิ และเวลาของแต่ละข้อต่อจะส่งผลอย่างมากต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเส้นใยคาร์บอนโพลีอะคริโลไนไตรล์กลายเป็นเส้นใยคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีผลผลิตสูงสุดในปัจจุบัน เนื่องจากมีขั้นตอนการเตรียมที่ค่อนข้างง่าย ต้นทุนการผลิตต่ำ และการกำจัดของเสียสามชนิดที่สะดวกโพรเพนวัตถุดิบหลักสามารถผลิตได้จากน้ำมันดิบ และห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ของ PAN มีกระบวนการผลิตที่สมบูรณ์ตั้งแต่พลังงานปฐมภูมิไปจนถึงการใช้งานขั้นสุดท้าย

หลังจากเตรียมโพรเพนจากน้ำมันดิบแล้ว จะได้โพรเพนโดยการคัดเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชัน (PDH) ของโพรเพน

อะคริโลไนไตรล์ได้มาจากแอมโมซิเดชันของโพรพิลีนสารตั้งต้นของโพลีอะคริโลไนไตรล์ (แพน) ได้มาจากปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันและการหมุนของอะคริโลไนไตรล์

โพลีอะคริโลไนไตรล์ถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้า คาร์บอนที่อุณหภูมิต่ำและสูงเพื่อให้ได้คาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งสามารถทำเป็นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์และพรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับการผลิตคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

คาร์บอนไฟเบอร์ถูกรวมเข้ากับเรซิน เซรามิก และวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในที่สุด ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายสำหรับการใช้งานขั้นปลายจะได้มาจากกระบวนการขึ้นรูปต่างๆ

ระดับคุณภาพและประสิทธิภาพของสารตั้งต้นจะกำหนดประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายของคาร์บอนไฟเบอร์โดยตรงดังนั้นการปรับปรุงคุณภาพของสารละลายการปั่นและการเพิ่มประสิทธิภาพปัจจัยของการสร้างสารตั้งต้นจึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์คุณภาพสูง

ตาม "การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการผลิตสารตั้งต้นของคาร์บอนไฟเบอร์จากโพลีอะคริโลไนไตรล์" กระบวนการปั่นส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามประเภท: การปั่นแบบเปียก การปั่นแบบแห้ง และการปั่นแบบเปียกแบบแห้งปัจจุบันการปั่นแบบเปียกและการปั่นแบบเปียกแบบแห้งส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตสารตั้งต้นของโพลีอะคริโลไนไตรล์ในและต่างประเทศ ซึ่งการปั่นแบบเปียกมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

การปั่นแบบเปียกจะพ่นสารละลายที่ปั่นออกจากรูสปินเนอร์ก่อน และสารละลายที่ปั่นจะเข้าสู่อ่างจับตัวเป็นก้อนในรูปแบบของการไหลขนาดเล็กกลไกการหมุนของสารละลายโพลีอะคริโลไนไตรล์คือ มีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างความเข้มข้นของ DMSO ในสารละลายแบบหมุนและอ่างจับตัวเป็นก้อน และยังมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างความเข้มข้นของน้ำในอ่างจับตัวเป็นก้อนและสารละลายโพลีอะคริโลไนไตรล์ภายใต้ปฏิสัมพันธ์ของความแตกต่างของความเข้มข้นทั้งสองข้างต้น ของเหลวจะเริ่มแพร่กระจายในสองทิศทาง และในที่สุดก็ควบแน่นเป็นเส้นใยผ่านการถ่ายเทมวล การถ่ายเทความร้อน การเคลื่อนที่ของเฟสสมดุล และกระบวนการอื่นๆ

ในการผลิตสารตั้งต้น ปริมาณที่เหลือของ DMSO ขนาดเส้นใย ความแข็งแรงของเส้นใยเดี่ยว โมดูลัส การยืดตัว ปริมาณน้ำมัน และการหดตัวของน้ำเดือด กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพของสารตั้งต้นจากตัวอย่างปริมาณคงเหลือของ DMSO มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติปรากฏของสารตั้งต้น สถานะหน้าตัด และค่า CV ของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสุดท้ายยิ่งปริมาณคงเหลือของ DMSO ต่ำเท่าใด ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นในการผลิต DMSO จะถูกกำจัดออกโดยการล้างเป็นหลัก ดังนั้นวิธีการควบคุมอุณหภูมิในการซัก เวลา ปริมาณน้ำที่แยกเกลือออก และจำนวนรอบการซักจึงกลายเป็นส่วนสำคัญ

สารตั้งต้นโพลีอะคริโลไนไตรล์คุณภาพสูงควรมีลักษณะดังต่อไปนี้: ความหนาแน่นสูง, ความเป็นผลึกสูง, ความแข็งแรงที่เหมาะสม, ส่วนตัดขวางแบบวงกลม, ข้อบกพร่องทางกายภาพน้อยลง, พื้นผิวเรียบและโครงสร้างแกนกลางของผิวหนังที่สม่ำเสมอและหนาแน่น

การควบคุมอุณหภูมิของคาร์บอไนเซชันและออกซิเดชันเป็นกุญแจสำคัญคาร์บอไนเซชันและออกซิเดชันเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสุดท้ายจากสารตั้งต้นในขั้นตอนนี้ ควรควบคุมความแม่นยำและช่วงอุณหภูมิอย่างถูกต้อง มิฉะนั้น ความต้านทานแรงดึงของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์จะได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ และอาจนำไปสู่การแตกหักของสายไฟได้

พรีออกซิเดชัน (200-300 ℃): ในกระบวนการพรีออกซิเดชัน สารตั้งต้นของ PAN จะถูกออกซิไดซ์อย่างช้า ๆ และอ่อนโยนโดยใช้ความตึงเครียดบางอย่างในบรรยากาศออกซิไดซ์ สร้างโครงสร้างวงแหวนจำนวนมากบนพื้นฐานของโซ่ตรงของกระทะ เพื่อที่จะ บรรลุวัตถุประสงค์ในการทนต่อการรักษาอุณหภูมิที่สูงขึ้น

คาร์บอไนเซชัน (อุณหภูมิสูงสุดไม่ต่ำกว่า 1,000 ℃): กระบวนการคาร์บอไนเซชันควรดำเนินการในบรรยากาศเฉื่อยในระยะแรกของการทำให้เป็นคาร์บอน โซ่กระทะจะแตกและปฏิกิริยาการเชื่อมขวางจะเริ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยความร้อนจะเริ่มปล่อยก๊าซโมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมาก และโครงสร้างกราไฟท์ก็เริ่มก่อตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาณคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเริ่มก่อตัวเป็นคาร์บอนไฟเบอร์

การทำกราฟิติเซชัน (อุณหภูมิการรักษาสูงกว่า 2,000 ℃): การทำกราฟิติไลเซชันไม่ใช่กระบวนการที่จำเป็นสำหรับการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ แต่เป็นกระบวนการทางเลือกหากคาดว่าจะมีโมดูลัสยืดหยุ่นสูงของคาร์บอนไฟเบอร์ จำเป็นต้องมีการสร้างกราฟหากคาดว่าจะมีความแข็งแรงสูงของคาร์บอนไฟเบอร์ ก็ไม่จำเป็นต้องทำกราไฟท์ในกระบวนการสร้างกราฟิติเซชัน อุณหภูมิสูงทำให้เส้นใยกลายเป็นโครงสร้างตาข่ายกราไฟท์ที่พัฒนาขึ้น และโครงสร้างถูกรวมเข้าด้วยกันโดยการวาดเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

อุปสรรคทางเทคนิคที่สูงทำให้ผลิตภัณฑ์ปลายน้ำมีมูลค่าเพิ่มสูง และราคาของวัสดุคอมโพสิตการบินก็สูงกว่าราคาของไหมดิบถึง 200 เท่าเนื่องจากความยากในการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์และกระบวนการที่ซับซ้อน ยิ่งมีการผลิตต่อเนื่องมากเท่าใด มูลค่าเพิ่มก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วยโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ระดับไฮเอนด์ที่ใช้ในสาขาการบินและอวกาศ เนื่องจากลูกค้าปลายน้ำมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากในด้านความน่าเชื่อถือและความเสถียร ราคาผลิตภัณฑ์ยังแสดงให้เห็นการเติบโตแบบทวีคูณทางเรขาคณิตเมื่อเทียบกับคาร์บอนไฟเบอร์ธรรมดา