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      碳纖維解決方案

      碳纖維

      碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。

      它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

      碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。

      它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

      碳纖維具有許多優良性能,碳纖維的軸向強度和模量高,密度低、比性能高,無蠕變,非氧 化環境下耐超高溫,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小且具有 各向異性,耐腐蝕性好,X射線透過性好。

      良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。

      碳纖維與傳統的玻璃纖維相比,楊氏模量是其3倍多;

      它與凱夫拉纖維相比,楊氏模量是其2倍左右,在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出。

      高成本高投入的碳纖維

      投入2500萬美元,需要兩年時間才能投入運行的碳纖維復合材料,這一材料的運用大到航天航空小到體育用品,成為人生活中密不可分的一部分。

      至今能掌握碳纖維生產方式的廠家仍是少數,因為其成本過高、技術難度高,不少的人望而卻步,例如三菱造絲有限公司,計劃對太竹生產設施計 劃投資一億美元,總面積87.4萬平方米,為期三年。

      截止目前,全球PAN基碳纖維領先的生產商僅僅為十幾家,其中日本東麗、日本三菱化學、日本帝人三家企業約占全球碳纖維產能的54%,而其中東 麗公司占全球產能35%。

      中國的碳纖維制造業正在逐漸成熟,但是每個供應商的最大產能都不足10,000噸,其中主要的公司是中復神鷹、恒神、精功科技、威海光威復合材料等。

      (數據來源:Composites Market Report 2019)

      碳纖維產品細分市場有望實現強勁增長,由于其有益的特性,例如低熱膨脹,高剛度,高溫耐受性,高耐化學性和低重量,其2020 年至2027年的復合年增長率為7.6%。碳纖維主要由碳原子組成,這些碳原子以平行于碳纖維排列的晶體形式結合在一起。

      碳纖維的制作工藝

      PAN基碳纖維現可提供低模量(<32 Msi)、標準模量(33至36 Msi)、中模量(40至50 Msi)、高模量(50至70 Msi) )和超高模量(70至140 Msi)等規格。

      PAN原絲

      在一定的聚合條件下,丙稀腈(AN)在引發劑的自由基作用下,雙鍵被打開,并彼此連接為線型聚丙烯睛(PAN)大分子鏈,同時釋放出175kcal/mol的執量。

      生成的聚丙烯睛PAN)紡絲液經過混法紡絲或干噴混紡等紡絲工藝后即可得到PAN原絲。

      預氧化

      PAN原絲經整經后,送入預氧化爐制得預氧化纖維(俗稱預氧絲);

      預氧化的溫度控制在玻璃化溫度和裂解溫度之間,即200~300℃之間。

      預氧化的目的是使熱塑性PAN線形大分子鏈轉化為非塑性耐熱梯形結構,使其在炭化高溫下不熔不燃、保持纖維形態,熱力學處于穩定狀態。

      預氧化的梯形結構使炭化效率顯著提高,大大降低了生產成本。同時,預氧絲(預氧化纖維OF)也是一種重要的中間產品,經深加工可制成多 種產品,直接進入市場,并已在許多領域得到實際應用。

      碳化

      預氧絲進入低溫炭化爐、高溫炭化制得碳纖維;碳纖維經表面處理、上漿即得到碳纖維產品。

      PAN原絲經預氧化處理后轉化為耐熱梯形結構,再使用CX-CCF系列碳化爐500-1600攝氏度中低溫碳化,轉化為具有亂層石墨結構的碳纖維。

      在這一結構轉化過程中,較小的梯形結構單元進一步進行交聯、縮聚,且伴隨熱解,在向亂層石墨結構轉化的同時釋放出許多小分子副產 物。同時,非碳元素O、N、H逐步被排除,C逐漸富集最終形成含碳量90%以上的碳纖維。

      不一樣的產品和工藝要求,對溫度的要求是極高的,CX-CCF系列碳化爐、連續碳化爐可按照用戶的要求進行參數調整,符合碳纖維生產的要求。

      表面處理

      除前驅體纖維外,表面處理最能使一個供應商的產品與競爭對手的產品區分開。

      基體樹脂和碳纖維之間的粘合性對于增強復合材料至關重要,而在制造碳纖維的過程中,表面處理目的是增強這種粘合性。

      生產商會采用不同的處理方法,處理后纖維表面活性增加,從而提高可用于界面纖維/基體粘結的表面積,并添加反應性化學基團如羧基等。

      上漿

      隨后的工序是上漿處理,一般上漿劑占碳纖維重量的0.5%至5%,可在處理和加工(例如編織)過程中保護碳纖維成為中間產品。

      上漿還可以將細絲束縛在各個絲束中,以減少起毛,提高可加工性并增加纖維與基體樹脂之間的界面剪切強度。上漿干燥結束后, 漫長的碳纖維制備過程就完成了,單個的絲束分離出來然后纏繞到筒管上。

      全過程連續進行,任何一道工序出現問題都會影響穩定生產和碳纖維產品的質量,碳纖維經過2000-3000℃高溫石墨化處理,會制作出石墨纖維,石墨纖維也是碳纖維的一種。

      石墨纖維相較碳纖維而言,含碳量更高,拉伸膜量也更高,經過石墨化熱處理后,就由有機PAN纖維變成烏雞的碳纖維,成為一種高性能的纖維增強材料。

      產品關鍵詞:連續碳化爐   臥式高溫石墨化爐
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