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石墨碳纤维生产解决方案

碳纤维

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧 化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有 各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。

彩神ix 良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

碳纤维与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;

彩神ix 它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。

高成本高投入的碳纤维

投入2500万美元,需要两年时间才能投入运行的碳纤维复合材料,这一材料的运用大到航天航空小到体育用品,成为人生活中密不可分的一部分。

至今能掌握碳纤维生产方式的厂家仍是少数,因为其成本过高、技术难度高,不少的人望而却步,例如三菱造丝有限公司,计划对太竹生产设施计 划投资一亿美元,总面积87.4万平方米,为期三年。

截止目前,全球PAN基碳纤维领先的生产商仅仅为十几家,其中日本东丽、日本三菱化学、日本帝人三家企业约占全球碳纤维产能的54%,而其中东 丽公司占全球产能35%。

中国的碳纤维制造业正在逐渐成熟,但是每个供应商的最大产能都不足10,000吨,其中主要的公司是中复神鹰、恒神、精功科技、威海光威复合材料等。

彩神ix(数据来源:Composites Market Report 2019)

碳纤维产品细分市场有望实现强劲增长,由于其有益的特性,例如低热膨胀,高刚度,高温耐受性,高耐化学性和低重量,其2020 年至2027年的复合年增长率为7.6%。碳纤维主要由碳原子组成,这些碳原子以平行于碳纤维排列的晶体形式结合在一起。

碳纤维的制作工艺

PAN基碳纤维现可提供低模量(<32 Msi)、标准模量(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)等规格。

PAN原丝

在一定的聚合条件下,丙稀腈(AN)在引发剂的自由基作用下,双键被打开,并彼此连接为线型聚丙烯睛(PAN)大分子链,同时释放出175kcal/mol的执量。

彩神ix 生成的聚丙烯睛PAN)纺丝液经过混法纺丝或干喷混纺等纺丝工艺后即可得到PAN原丝。

预氧化

彩神ix PAN原丝经整经后,送入预氧化炉制得预氧化纤维(俗称预氧丝);

预氧化的温度控制在玻璃化温度和裂解温度之间,即200~300℃之间。

彩神ix 预氧化的目的是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构,使其在炭化高温下不熔不燃、保持纤维形态,热力学处于稳定状态。

预氧化的梯形结构使炭化效率显著提高,大大降低了生产成本。同时,预氧丝(预氧化纤维OF)也是一种重要的中间产品,经深加工可制成多 种产品,直接进入市场,并已在许多领域得到实际应用。

碳化

预氧丝进入低温炭化炉、高温炭化制得碳纤维;碳纤维经表面处理、上浆即得到碳纤维产品。

PAN原丝经预氧化处理后转化为耐热梯形结构,再使用CX-CCF系列碳化炉500-1600摄氏度中低温碳化,转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。

在这一结构转化过程中,较小的梯形结构单元进一步进行交联、缩聚,且伴随热解,在向乱层石墨结构转化的同时释放出许多小分子副产 物。同时,非碳元素O、N、H逐步被排除,C逐渐富集最终形成含碳量90%以上的碳纤维。

不一样的产品和工艺要求,对温度的要求是极高的,CX-CCF系列碳化炉、连续碳化炉可按照用户的要求进行参数调整,符合碳纤维生产的要求。

表面处理

除前驱体纤维外,表面处理最能使一个供应商的产品与竞争对手的产品区分开。

基体树脂和碳纤维之间的粘合性对于增强复合材料至关重要,而在制造碳纤维的过程中,表面处理目的是增强这种粘合性。

生产商会采用不同的处理方法,处理后纤维表面活性增加,从而提高可用于界面纤维/基体粘结的表面积,并添加反应性化学基团如羧基等。

上浆

随后的工序是上浆处理,一般上浆剂占碳纤维重量的0.5%至5%,可在处理和加工(例如编织)过程中保护碳纤维成为中间产品。

上浆还可以将细丝束缚在各个丝束中,以减少起毛,提高可加工性并增加纤维与基体树脂之间的界面剪切强度。上浆干燥结束后, 漫长的碳纤维制备过程就完成了,单个的丝束分离出来然后缠绕到筒管上。

全过程连续进行,任何一道工序出现问题都会影响稳定生产和碳纤维产品的质量,碳纤维经过2000-3000℃高温石墨化处理,会制作出石墨纤维,石墨纤维也是碳纤维的一种。

彩神ix 石墨纤维相较碳纤维而言,含碳量更高,拉伸膜量也更高,经过石墨化热处理后,就由有机PAN纤维变成乌鸡的碳纤维,成为一种高性能的纤维增强材料。

产品关键词:连续碳化炉   卧式高温石墨化炉