Una especie de método de preparación de fibra de carbono.
La preparación de fibra de carbono altamente mecánica a partir de fibra de viscosa debe pasar por estiramiento y grafitización a alta temperatura, el rendimiento de carbonización es bajo, la tecnología es difícil y el equipo es complejo. Este producto se utiliza principalmente para materiales resistentes a la ablación y materiales de aislamiento térmico. La preparación de fibra de carbono a partir de brea es rica en materias primas y tiene un alto rendimiento de carbonización. Sin embargo, debido a la complicada preparación de las materias primas y al bajo rendimiento del producto, no se ha desarrollado a gran escala. Los precursores de fibra de poliacrilonitrilo se pueden convertir en fibras de carbono de alto rendimiento. En comparación con otros métodos, su proceso de producción es sencillo y sus propiedades mecánicas son excelentes. Se ha desarrollado bien en la industria de la fibra de carbono desde los años 1960.
La producción de fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo incluye principalmente dos procesos: producción de fibra cruda y carbonización de fibra cruda.
El proceso de producción de la seda cruda incluye principalmente polimerización, desgasificación, dosificación, hilado, estirado, lavado, engrase, secado y recolección.
El proceso de carbonización incluye principalmente tendido de alambre, preoxidación, carbonización a baja temperatura, carbonización a alta temperatura, tratamiento de superficies, secado de conformación, bobinado y otros procesos.
Preparación de fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo
La fibra de carbono de poliacrilonitrilo es una fibra de carbono hecha de fibra de poliacrilonitrilo y se utiliza principalmente como refuerzo para materiales compuestos. Las fibras de carbono pueden fabricarse a partir de fibras de poliacrilonitrilo homopolimerizadas o polimerizadas. Para producir fibra de carbono de alto rendimiento y mejorar la productividad, la fibra de poliacrilonitrilo se utiliza a menudo como materia prima en la industria. Los requisitos para las materias primas son: pocas impurezas y defectos; finura uniforme, cuanto más fina, mejor; y menos lana, cuanto mayor sea la orientación de las moléculas de la cadena a lo largo del eje de la fibra, generalmente superior al 80%; rendimiento de conversión.
El proceso de fabricación de fibra de poliacrilonitrilo en producción es: primero, el acrilonitrilo y una pequeña cantidad del segundo y tercer monómero (acrilato de metilo, éster de metileno butilo, etc.) se polimerizan para formar * * * Resina de poliacrilonitrilo (peso molecular superior a 60000 ~ 80000) y luego disolver la resina en un disolvente (tiocianato de sodio, alumbre dimetilo, ácido nítrico, cloruro de zinc, etc.). ) para formar una solución de hilatura de viscosidad apropiada, que luego se humedece, se seca o se humedece. Si la fibra de poliacrilonitrilo se calienta directamente, se derretirá fácilmente y no podrá mantener su estado original de fibra. Al preparar fibra de carbono, la fibra de poliacrilonitrilo debe colocarse en aire u otra atmósfera oxidante para un tratamiento térmico a baja temperatura, es decir, un tratamiento de preoxidación. El tratamiento de preoxidación es la etapa preliminar de la carbonización de la fibra. Generalmente, cuando la fibra se calienta a aproximadamente 270°C en el aire y se mantiene durante 0,5 ha 3 h, el color de la fibra de poliacrilonitrilo cambia gradualmente de blanco a amarillo y marrón, formando eventualmente fibra preoxidada negra. Es el resultado de una serie de reacciones químicas como oxidación, pirólisis, reticulación y ciclación después de que el polímero lineal de poliacrilonitrilo se oxida térmicamente para formar un polímero en escalera resistente al calor. Luego, la fibra preoxidada se somete a un tratamiento a alta temperatura de 1600 °C en nitrógeno para sufrir más reticulación, ciclación, aromatización, policondensación y otras reacciones para eliminar los átomos de hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y finalmente formar una segunda fibra con Capas paralelas rugosas con estructura de red plana de anillo de carbono dimensional y estructura de grafito desordenada.
El flujo del proceso de preparación de fibra de carbono a partir de filamento bruto de poliacrilonitrilo es: filamento bruto de poliacrilonitrilo → preoxidación → carbonización → grafitización → tratamiento superficial → bobinado → fibra de carbono.
La primera es la preparación del hilo en bruto: el hilo en bruto de poliacrilonitrilo y viscosa se prepara principalmente mediante hilado en húmedo, mientras que el hilo en bruto de asfalto y fenólico se prepara mediante hilado en fusión. La preparación de fibras de carbono a base de poliacrilonitrilo de alto rendimiento requiere filamentos en bruto de poliacrilonitrilo de alta pureza, alta resistencia y calidad uniforme. El monómero utilizado para preparar los filamentos en bruto es el ácido itacónico. Para preparar fibras de carbono anisotrópicas a base de brea de alto rendimiento, la brea debe pretratarse en mesofase, premesofase (brea anisotrópica soluble en benceno) y mesofase latente (brea anisotrópica soluble en quinolina). Las fibras de carbono a base de viscosa utilizadas como materiales de ablación requieren que sus precursores no contengan iones de metales alcalinos.
El segundo es la preoxidación (fibra de poliacrilonitrilo a 200-300°C), la infusibilidad (asfalto a 200-400°C) o el tratamiento térmico (fibra de viscosa a 240°C) para obtener fibras resistentes al calor. Fibra infusible. La fibra de carbono de base fenólica no tiene este proceso.
3. Carbonización, la temperatura es: fibra de poliacrilonitrilo 1000 ~ 1500 ℃, asfalto 1500 ~ 1700 ℃, fibra viscosa 400 ~ 2000 ℃.
Cuarto, grafitización: fibra de poliacrilonitrilo 2500-3000 ℃, asfalto 2500-2800 ℃, fibra de viscosa 3000-3200 ℃.
En quinto lugar, el tratamiento de la superficie, como la oxidación en fase gaseosa o en fase líquida, confiere a la fibra actividad química para aumentar su afinidad por la resina.
En sexto lugar, el tratamiento de encolado previene el daño de la fibra y mejora la afinidad con la matriz de resina. Las fibras obtenidas tienen diversas estructuras de sección transversal. La producción mundial de fibra de carbono ha alcanzado más de 40.000 toneladas por año. Algunos países del mundo, principalmente Japón, Estados Unidos, Alemania y Corea del Sur, han dominado la tecnología central de producción de fibra de carbono y la han producido en masa.
En la actualidad, la tecnología central de la fibra de carbono global está firmemente en manos de unos pocos países desarrollados. Por un lado, los países desarrollados liderados por Estados Unidos y Japón han mantenido un estricto bloqueo tecnológico a la industria de fibra de carbono de China, por otro lado, los líderes extranjeros de la industria de fibra de carbono han comenzado a ingresar al mercado chino, ejerciendo presión sobre el carbono local de China; empresas de fibra. Aunque el Estado ha aumentado su orientación y apoyo a la industria de la fibra de carbono, el avance de la fibra de carbono nacional sigue siendo accidentado debido a la gran brecha tecnológica. La investigación de China sobre la fibra de carbono comenzó en la década de 1960, y él comenzó a investigar fibras de carbono de alta resistencia en la década de 1980. A lo largo de los años, el progreso ha sido lento, pero se han logrado algunos logros. Desde el siglo XX, se ha desarrollado rápidamente. Anhui tomó la iniciativa al introducir una producción anual de 500 toneladas de seda cruda y una producción anual de 200 toneladas de fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo, industrializando la industria de fibra de carbono de China. Posteriormente, algunos lugares se fueron sumando paulatinamente a las filas de la producción de fibra de carbono.
Desde el año 2000, la fibra de carbono de mi país se ha desarrollado hacia la diversificación tecnológica, abandonando la tecnología original de fabricación de fibra cruda de ácido nítrico y adoptando la tecnología de hilado húmedo de un solo paso utilizando dimetilsulfóxido como solvente. Algunos productos nacionales de fibra de carbono T700 desarrollados con tecnología independiente han alcanzado el nivel internacional de productos similares. A medida que la demanda de fibra de carbono de mi país continúa aumentando, la fibra de carbono ha sido catalogada como un soporte clave para la industria nacional de fibras químicas. El mercado mundial de fibra de carbono ascendía a sólo 900 millones de dólares en 2005, pero alcanzó los 654.380 millones de dólares en 2003, y se espera que alcance los 40.000 millones de dólares en 2022. La aplicación de materiales compuestos de fibra de carbono también entrará en una nueva era. La industrialización de la fibra de carbono en China sigue un camino que combina el desarrollo y la introducción independientes. Al final del "Undécimo Plan Quinquenal", básicamente se han realizado líneas de producción nacionales de fibra de carbono equivalentes a T300, y algunas empresas han formado líneas de producción de 100 toneladas por encima de T700.
En 2011, el mercado de fibra de carbono de China alcanzó las 6.811 toneladas. Sin embargo, debido a una oferta insuficiente, el mercado nacional de fibra de carbono se ha desarrollado relativamente lentamente. Se espera que en los próximos años, a medida que aumente la oferta, la demanda en la industria de fibra de carbono de China también mantenga un rápido crecimiento.
El atraso de la tecnología conduce directamente a la brecha obvia entre la calidad de los productos de fibra de carbono de mi país y los productos importados, y también limita en gran medida la aplicación de productos nacionales de fibra de carbono en campos de alta gama. Según las estadísticas, los productos de fibra de carbono de mi país se concentran en campos de gama baja, y la proporción de aplicaciones en el campo aeroespacial con altos requisitos de calidad de fibra de carbono es solo del 3%, lo que está lejos del nivel promedio internacional de la industria de fibra de carbono en el campo aeroespacial, mientras que en el campo aeroespacial, los requisitos de calidad son relativamente bajos. En el campo de los productos deportivos y de ocio, la proporción de aplicación de fibra de carbono llega al 80%, que es cuatro veces el nivel promedio internacional de aplicación de fibra de carbono; en productos deportivos y de ocio. Sin embargo, el atraso de la tecnología nacional de fibra de carbono ha restringido el desarrollo saludable y estable de la industria de fibra de carbono de mi país.
China depende de las importaciones de fibra de carbono de alto rendimiento, y la producción de fibra de carbono de Japón representa el 60% de la cuota de mercado mundial. El 15 de febrero de 2016, China rompió el bloqueo de control japonés y desarrolló fibra de carbono de alto rendimiento.