Koltrefjar - Efni svartgull, með háum iðnaðarhindrunum og háu vöruvirðisauka

1. Koltrefjar eru stífar og sveigjanlegar og eru mikið notaðar í downstream forritum

Saga efnisþróunar er nátengd þróunarsögu mannsins og ný efni eru öflugur drifkraftur mannkyns til að flytja úr „náttúruríkinu“ til „frelsisins“. Efni eru venjulega skilgreind sem efni sem notuð eru til að búa til nytjahluti og hæfileiki mannsins til að þekkja og nýta efni ræður beint félagslegu formi og lífskjörum mannsins. Í samtímanum hafa efni, orka og upplýsingar orðið þrjár stoðir félagslegrar siðmenningar og þjóðarhagkerfis, og meðal þeirra eru efni efnislegur grunnur og tæknilegur leiðtogi þróunar vísinda og tækni.

Í gegnum alla sögu efnisþróunar er hægt að draga það saman í sex þróunartímabil af steinverkfærum/bronsverkfærum/járnverkfærum/stáli/kísil/nýjum efnum miðað við tíma. Meðal þeirra, með opnun nýrrar tæknibyltingar á seinni hluta 20. aldar, hafa ný efni orðið hvatamaður fyrir þróun ýmissa hátæknisviða. Tölvutækni byggir til dæmis á iðnaðarframleiðslu á hálfleiðaraefnum og geimferðaiðnaðurinn krefst mikils fjölda af háhita og sterkum byggingarefnum. Það passar við það og nútíma ljósleiðarasamskipti byggjast á lítilli eyðslu ljósleiðara.

Koltrefjar, þekktur sem konungur nýrra efna á 21. öld, er skínandi gimsteinn í efniskórónu. Koltrefjar (CF í stuttu máli) eru ólífrænar trefjar með meira en 90 prósent kolefnisinnihald. Það er útbúið með því að sprunga og kolsýra lífrænar trefjar (viskósu-undirstaða, bik-undirstaða, pólýakrýlonítríl-undirstaða trefjar, osfrv.) Í háhitaumhverfi til að mynda kolefnisstoðkerfi. Sem ný kynslóð af styrktartrefjum hafa kolefnistrefjar framúrskarandi vélræna og efnafræðilega eiginleika, hafa ekki aðeins eðliseiginleika kolefnisefna heldur einnig mjúka vinnsluhæfni textíltrefja, svo þau eru mikið notuð í geimferðum, orkubúnaði, flutningum, íþróttir. Tómstundir og önnur svið:

Létt þyngd: Sem stefnumótandi nýtt efni með framúrskarandi frammistöðu er þéttleiki koltrefja í grundvallaratriðum sá sami og magnesíums og berýllíums og er minna en 1/4 af stáli. Með því að nota samsett efni úr koltrefjum sem burðarefni getur það dregið úr burðarmassanum um 30 prósent -40 prósent.

Hár styrkur og hár stuðull: Sérstakur styrkur koltrefja er 5 sinnum hærri en stál og 4 sinnum hærri en álblöndu; sérstakur stuðullinn er 1.3-12.3 sinnum meiri en önnur byggingarefni.

Lítill stækkunarstuðull: Varmaþenslustuðull flestra koltrefja er neikvæður við stofuhita, 0 við 200-400 gráðu og aðeins 1,5 × 10-6 /K þegar hann er minni en 1000 gráður, svo það er ekki auðvelt að stækka og afmynda sig vegna hás vinnuhita.

Góð efnatæringarþol: Koltrefjar hafa mikið innihald af hreinu kolefni og kolefni er einn af stöðugustu efnaþáttunum, sem gerir það mjög stöðugt í sýru- og basaumhverfi, og hægt er að búa til ýmsar efnafræðilegar ryðvarnarvörur.

Sterk þreytuþol: Uppbygging koltrefja er stöðug. Samkvæmt tölfræði fjölliða netsins er styrkleikahlutfall samsetta efnisins enn 60 prósent eftir milljónir hringrása af streituþreytu, samanborið við 40 prósent fyrir stál, 30 prósent fyrir ál og 30 prósent fyrir glertrefjastyrkt plast. Þá aðeins 20 prósent -25 prósent .

Samsett efni úr koltrefjum eru endurstyrkt á grundvelli koltrefja. Þrátt fyrir að hægt sé að nota koltrefjar einar og sér og framkvæma sérstakar aðgerðir, þá er það brothætt efni eftir allt saman. Aðeins þegar það er blandað saman við fylkisefnið til að mynda koltrefjasamsett efni getur það haft betri vélrænni eiginleika og borið meira álag.

Hægt er að flokka koltrefjar eftir mismunandi stærðum eins og gerð forvera, framleiðsluaðferð og frammistöðu:

Samkvæmt tegund hrásilkis: pólýakrýlonítríl (PAN) byggt, bik byggt (ísótrópískt, mesófasa); Viskósu byggt (sellulósi byggt, rayon byggt). Meðal þeirra eru kolefnistrefjar sem eru byggðar á pólýakrýlonítríl (PAN) í aðalstöðu, þar sem framleiðslan er meira en 90 prósent af heildar koltrefjum og koltrefjar úr viskósu er minna en 1 prósent.

Flokkun eftir framleiðsluaðstæðum og framleiðsluaðferðum: koltrefjar (800-1600 gráður), grafíttrefjar (2000-3000 gráður), virkjaðar koltrefjar, gufuvaxnar koltrefjar.

Samkvæmt vélrænni eiginleikum er hægt að skipta því í almenna tegund og hágæða tegund: almennar koltrefjar hafa styrkleika 1000MPa og stuðull um 100GPa;), þar sem styrkur meiri en 4000MPa er einnig kallaður ofur-hástyrktargerðin og stuðullinn sem er stærri en 450GPa er kallaður ofurhár líkanið.

Samkvæmt stærð togsins er hægt að skipta því í lítið tog og stórt tog: lítið tog koltrefjar eru aðallega 1K, 3K, 6K á upphafsstigi og þróast smám saman í 12K og 24K, sem er aðallega notað í geimferðum, íþrótta- og tómstundavelli. Koltrefjar yfir 48K eru venjulega kallaðar stórar koltrefjar, þar á meðal 48K, 60K, 80K, osfrv., sem eru aðallega notaðar á iðnaðarsviðum.

Togstyrkur og togstuðull eru tveir mikilvægustu vísbendingar til að mæla frammistöðu koltrefja. Byggt á þessu gaf landið mitt út „National Standard for Polyacrylonitrile (PAN)-based Carbon Fiber (GB/T26752-2011)“ árið 2011. Á sama tíma, vegna þess að Toray í Japan hefur algjört forskot á heimsvísu. koltrefjaiðnaður, flestir innlendir framleiðendur samþykkja einnig flokkunarstaðal Japans Toray til viðmiðunar.

2.Hátæknilegar hindranir í greininni, hrá silkiframleiðsla er kjarninn, kolsýring og oxun er lykillinn

Framleiðsluferlið koltrefja er flókið og krefst mjög mikils búnaðar og tækni. Stjórnun á nákvæmni, hitastigi og tíma hvers hlekks mun hafa mikil áhrif á gæði lokaafurðarinnar. Polyacrylonitrile kolefnistrefjar hafa orðið koltrefjarnar með breiðasta notkunarsviðið og mesta framleiðslan á þessu stigi vegna tiltölulega einfalds undirbúningsferlis, lágs framleiðslukostnaðar og þægilegrar förgunar þriggja úrgangs. Helsta hráefni þess, própan, er hægt að fá úr hráolíu og pólýakrýlonítríl koltrefjaiðnaðarkeðjan felur í sér fullkomið framleiðsluferli frá frumorku til endanota.

Eftir að própan hefur verið útbúið úr hráolíu er hægt að fá própan með sértækri hvatavötnun (PDH);

Akrýlónítríl fæst eftir ammoxun á própýleni og pólýakrýlonítríl (PAN) forefni fæst eftir akrýlonítríl fjölliðun og spuna;

Pólýakrýlonítríl er foroxað, kolsýrt við lágt hitastig og háan hita til að fá koltrefjar og hægt er að búa til koltrefjaefni og koltrefja forpreg til framleiðslu á koltrefja samsettum efnum;

Koltrefjar eru sameinaðar plastefni, keramik og önnur efni til að mynda samsett efni úr koltrefjum, og að lokum eru lokaafurðirnar sem krafist er af downstream forritum fengnar með ýmsum mótunarferlum;

Gæði og frammistöðu stig undanfarans ákvarða beint endanlega frammistöðu koltrefja. Þess vegna hafa bætt gæði snúningslausnarinnar og hagræðing á hinum ýmsu þáttum forvera trefjamyndunar orðið lykilhnútar í undirbúningi hágæða koltrefja.

Samkvæmt "Rannsóknir á framleiðsluferli pólýakrýlonítríl-undirstaða koltrefjaforefnis" nær spunaferlið aðallega í þrjá flokka: blautsnúning, þurrsnúning og þurrblautur spuna. Sem stendur samþykkir framleiðsluferli pólýakrýlonítrílforefna heima og erlendis aðallega blautsnúning og þurrblautan spuna, þar á meðal blautsnúningur er mest notaður.

Í blautum spuna er spunalausnin fyrst pressuð út úr spunaholinu og spunalausnin fer inn í storkubaðið í formi fíns straums. Snúningsbúnaður pólýakrýlonítrílssnúningslausnar er: það er mikið bil á milli styrks DMSO (dímetýlsúlfoxíðs) í spunalausninni og storkubaðinu og styrkur vatns í storkubaðinu og pólýakrýlonítríllausninni er einnig mikill. bil. Undir víxlverkun ofangreindra tveggja styrkmismuna byrja vökvarnir að dreifast í báðar áttir og þéttast að lokum í þráða í gegnum ferla eins og massaflutning, hitaflutning og fasajafnvægishreyfingu.

Afgangs DMSO, fínleiki, styrkleiki einþráða, stuðull, lenging, olíuinnihald og rýrnun á sjóðandi vatni við framleiðslu á hrásilki verða lykilatriðin sem hafa áhrif á gæði hrásilkis. Með því að taka afgangsmagn DMSO sem dæmi hefur það áhrif á augljósa eiginleika forefnisins, þversniðsástand og CV gildi loka koltrefjaafurðarinnar. Því lægra sem afgangsmagn DMSO er, því meiri afköst vörunnar. Í framleiðslu er DMSO aðallega fjarlægt með þvotti, þannig að hvernig á að stjórna þvottahitastigi, tíma, magni afsaltaðs vatns og magn þvottaflæðis verður mikilvægur hlekkur.

Hágæða forefni pólýakrýlonítríls ættu að hafa eftirfarandi eiginleika: hár þéttleiki, hár kristöllun, viðeigandi styrkur, hringlaga þversnið, minni líkamlegir gallar, og hafa á sama tíma slétt yfirborð og einsleita og þétta húðkjarna uppbyggingu.

Hitastýring kolsýringar og oxunar er lykillinn. Kolsýring og oxun er nauðsynlegur hlekkur í framleiðslu á hráu silki í lokaafurðir úr koltrefjum. Í þessum hlekk þarf að stjórna nákvæmni og hitastigi nákvæmlega, annars mun togstyrkur koltrefjaafurða verða fyrir verulegum áhrifum og jafnvel vírbrot eiga sér stað:

Foroxun (200-300 gráðu ): Í foroxunarferlinu, með því að beita ákveðinni spennu í oxandi andrúmslofti, oxast PAN-forverinn hægt og rólega og mikill fjöldi hringpakkaðra mannvirkja myndast á grunnurinn að PAN beinni keðjunni, þannig að hún þolir tilganginn með vinnslu með hærra hitastigi.

Kolsýring (hámarkshiti ekki lægra en 1000 gráður): Kolefnisferlið þarf að fara fram í óvirku andrúmslofti. Á fyrstu stigum kolsýringar er bein keðja PAN rofin og krosstengingarviðbrögðin hefjast; þegar hitastigið hækkar smám saman byrjar varma niðurbrotsviðbrögðin, losar mikið magn af litlum sameindagasi og grafítbyggingin byrjar að myndast; eftir að hitastigið hækkar enn frekar eykst kolefnisinnihaldið hratt og koltrefjarnar byrja að myndast.

Grafitgerð (vinnsluhitastig yfir 2000 gráður): Grafitgerð er ekki nauðsynlegt ferli fyrir koltrefjaframleiðslu, heldur valfrjáls hlekkur. Ef búist er við að koltrefjarnar hafi háan mýktarstuðul, þarf grafítgerð; ef búist er við að koltrefjarnar fái mikinn styrk er grafítgerð ekki krafist. Í grafítvinnsluferlinu veldur háhitinn að þróað grafít möskva uppbyggingu myndast inni í trefjum og uppbyggingin er eðlileg með því að teikna til að fá endanlega vöru.

Háar tæknilegar hindranir veita afurðum eftirleiðis mikinn virðisauka og verð á samsettum efnum í geimferðum er 200 sinnum hærra en á hrásilki. Vegna mikillar erfiðleika við undirbúning koltrefja og flókins ferlis, því meira sem vörur þess eru í aftanstreymis, því meiri virðisauki, sérstaklega hágæða koltrefjasamsett efni sem notuð eru á sviði geimferða. Vegna þess að downstream viðskiptavinir hafa mjög strangar kröfur um áreiðanleika og stöðugleika, er vöruverðið Það er einnig rúmfræðilega hækkað miðað við venjulegar koltrefjar.