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分享·一文簡要了解碳纖維的制造工藝
時間:2020年09月04日 來源:甘肅郝氏炭纖維有限公司  作者:郝氏碳纖維 瀏覽次數:

    盡管許多復合材料用戶會使用碳纖維,但不少人卻不了解碳纖維的制造方法,因為碳纖維生產商會對自己產品的生產方式保守秘密。每個生產商的碳纖維都與其競爭對手的產品不同,而賦予每個品牌標志性特征的加工細節則被認為是知識產權。


     眾所周知,碳纖維的制造過程既困難又昂貴。建設一條世界一流的生產線以及設備組裝需要大量資本,僅設備一項就至少需要2500萬美元,并且最多可能需要兩年的時間才能投入運行。因此,實際的成本可能更高。

例如總部位于東京的三菱人造絲有限公司(MRC)計劃對大竹生產設施計劃投資1億美元,建筑總面積為87.4萬平方米,為期三年,通過擴建以后,該生產線每年可生產多達9,072噸碳纖維。截止目前,全球PAN基碳纖維領先的生產商僅僅為十幾家。
金屬材料具有均質特性,并且具有符合既定標準的特性,也就是說每個生產商生產的P20鋼性能接近,并可以與其他生產商互換。但是,碳纖維生產商生產的產品相似但不相同,如碳纖維的拉伸模量、拉伸強度、壓縮強度和疲勞強度等各不相同。
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。碳纖維作為束絲,按照絲束規格,其產品范圍從1K到350K(1K等于1,000根細絲,直徑范圍從5到10微米),此外產品的碳含量和表面處理/上漿類型也不同。
就制造工藝而言,用最簡單的話說,碳纖維是通過惰性氣體中在高于982°C / 1800°F的溫度下熱解有機前體纖維而制成的。然而,碳纖維制造是一項復雜的工作,需要經歷聚合和紡絲、氧化(也稱為穩定化)、碳化(制備高模量碳纖維時需要增加石墨化工藝)、表面處理和上漿。
聚合工藝
該過程始于稱為前驅體的聚合物原料,如今,約有10%的碳纖維是由人造絲或瀝青前驅體制成的,而絕大部分由聚丙烯腈(PAN)衍生而來,后者是由丙烯腈制成的,而丙烯腈則是由商品化學品丙烯和氨氣衍生而來的。本文主要介紹了PAN基碳纖維制造流程。
長期以來,通過將PAN轉換為碳纖維一直對生產商構成挑戰,因為碳纖維生產商的大部分投資都花在了前驅體上,而成品碳纖維的質量也直接取決于前驅體的質量。通常,前驅體配制以丙烯腈單體開始,其在反應器中與增塑的丙烯酸共聚單體和催化劑,如衣康酸、二氧化硫酸、硫酸或甲基丙烯酸結合,連續攪拌會混合成分,確保黏度和純度,并引發丙烯腈分子結構內自由基的形成。這種變化導致聚合反應即化學過程,該過程產生可形成丙烯酸纖維的長鏈聚合物。
紡絲工藝
PAN纖維是通過稱為濕法紡絲的方法形成的。將濃液浸入液體凝結浴中,并通過由貴金屬制成的噴絲頭中的孔擠出,噴絲孔與PAN纖維的所需長絲數相匹配(例如12K碳纖維為12,000個孔)。濕紡纖維通過水洗牽伸以除去過量的凝結劑,然后干燥并拉伸以繼續提高PAN聚合物的取向。
濕法紡絲的一種替代工藝是被稱為干噴/濕法紡絲的混合工藝,該工藝在纖維和凝固浴之間會存在空氣段,從而產生光滑的圓形PAN纖維。PAN前驅體纖維的最后一道工藝是上油,可防止絲束發生黏連,隨后卷繞成型。

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氧化

    預氧化處理是碳纖維制備流程中耗時最長的一道工序,氧化爐溫度范圍為392°F至572°F(200°C至300°C)。該過程將空氣中的氧氣分子與PAN纖維結合在一起,并使聚合物鏈開始交聯,這會使纖維密度從〜1.18 g/cc增加到高達1.38 g/cc。

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    為了避免PAN纖維放熱失控(氧化過程中釋放的總放熱能量估計為2,000 kJ/kg,會造成火災隱患),預氧化爐制造商使用多種氣流設計來幫助散熱和控制溫度。
氧化時間會根據前驅體纖維的化學反應而變化,通常而言需要60到120分鐘的時間,每條生產線需要4到6個烘箱,烘箱堆疊起來可以提供兩個加熱區。氧化后的PAN纖維包含約50%至65%的碳分子,其余部分為氫、氮和氧的混合物。


碳化

    碳化反應在專門設計炭化爐內進行,并且需要惰性(無氧)氣氛保護。在沒有氧氣的情況下,只有非碳分子包括氰化氫和其他VOC(穩定期間以40至80 ppm的濃度生成)和微粒被除去,并從高溫爐內排出,隨后在環境控制的焚化爐中進行后處理。

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    碳纖維預氧化碳化示意圖
在碳化過程中必須施加一定牽伸張力,從而可以優化碳分子的結晶,以生產出含碳量超過90%的碳纖維。碳纖維與高模碳纖維(又稱“石墨纖維”)區別在于,前者是在約1315°C/2400°F下碳化的纖維,其碳含量為93%至95%,而后者在1900-2480°C(3450-4500°F)時被石墨化,碳元素含量超過99%。
高模量和超高模量碳纖維成本相對較高的部分原因是停留時間的長短和高溫爐中必須達到的溫度。預氧化處理時間以小時為單位,但碳化時間要短一個數量級,以分鐘為單位。纖維經過碳化后,重量會顯著下降,并使直徑縮小。
表面處理及上漿
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;w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。
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。

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主要參考:CW,來源:碳纖維及其復合材料技術

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