कार्बन फाइबर उद्योग का गहन विश्लेषण: उच्च विकास, नई सामग्रियों की विस्तृत जगह और उच्च गुणवत्ता वाला ट्रैक

21वीं सदी में नई सामग्रियों के राजा के रूप में जाना जाने वाला कार्बन फाइबर, सामग्रियों में एक चमकीला मोती है।कार्बन फाइबर (सीएफ) एक प्रकार का अकार्बनिक फाइबर है जिसमें 90% से अधिक कार्बन सामग्री होती है।कार्बनिक फाइबर (विस्कोस आधारित, पिच आधारित, पॉलीएक्रिलोनिट्राइल आधारित फाइबर, आदि) को कार्बन बैकबोन बनाने के लिए उच्च तापमान पर पाइरोलाइज्ड और कार्बोनेटेड किया जाता है।

प्रबलित फाइबर की नई पीढ़ी के रूप में, कार्बन फाइबर में उत्कृष्ट यांत्रिक और रासायनिक गुण हैं।इसमें न केवल कार्बन सामग्री की अंतर्निहित विशेषताएं हैं, बल्कि कपड़ा फाइबर की कोमलता और प्रक्रियात्मकता भी है।इसलिए, इसका व्यापक रूप से एयरोस्पेस, ऊर्जा उपकरण, परिवहन, खेल और अवकाश क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है

हल्का वजन: उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एक रणनीतिक नई सामग्री के रूप में, कार्बन फाइबर का घनत्व लगभग मैग्नीशियम और बेरिलियम के समान है, जो स्टील के 1/4 से भी कम है।संरचनात्मक सामग्री के रूप में कार्बन फाइबर कंपोजिट का उपयोग संरचनात्मक वजन को 30% - 40% तक कम कर सकता है।

उच्च शक्ति और उच्च मापांक: कार्बन फाइबर की विशिष्ट शक्ति स्टील की तुलना में 5 गुना और एल्यूमीनियम मिश्र धातु की तुलना में 4 गुना अधिक है;विशिष्ट मापांक अन्य संरचनात्मक सामग्रियों का 1.3-12.3 गुना है।

छोटे विस्तार गुणांक: अधिकांश कार्बन फाइबर का थर्मल विस्तार गुणांक कमरे के तापमान पर नकारात्मक है, 200-400 ℃ पर 0, और 1000 ℃ × 10-6 / K से कम पर केवल 1.5, उच्च कार्य के कारण विस्तार और विकृत करना आसान नहीं है तापमान।

अच्छा रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध: कार्बन फाइबर में उच्च शुद्ध कार्बन सामग्री होती है, और कार्बन सबसे स्थिर रासायनिक तत्वों में से एक है, जिसके परिणामस्वरूप एसिड और क्षार वातावरण में इसका बहुत स्थिर प्रदर्शन होता है, जिसे सभी प्रकार के रासायनिक विरोधी जंग उत्पादों में बनाया जा सकता है।

मजबूत थकान प्रतिरोध: कार्बन फाइबर की संरचना स्थिर है।पॉलिमर नेटवर्क के आँकड़ों के अनुसार, तनाव थकान परीक्षण के लाखों चक्रों के बाद, समग्र की ताकत बनाए रखने की दर अभी भी 60% है, जबकि स्टील की 40%, एल्यूमीनियम की 30% और ग्लास फाइबर प्रबलित प्लास्टिक की केवल 20% है। % – 25%.

कार्बन फाइबर कंपोजिट कार्बन फाइबर का पुन: सुदृढ़ीकरण है।यद्यपि कार्बन फाइबर का उपयोग अकेले किया जा सकता है और एक विशिष्ट कार्य कर सकता है, फिर भी यह एक भंगुर पदार्थ है।केवल जब इसे कार्बन फाइबर कंपोजिट बनाने के लिए मैट्रिक्स सामग्री के साथ जोड़ा जाता है तो यह अपने यांत्रिक गुणों को बेहतर खेल दे सकता है और अधिक भार उठा सकता है।

कार्बन फाइबर को विभिन्न आयामों जैसे कि पूर्ववर्ती प्रकार, निर्माण विधि और प्रदर्शन के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है

अग्रदूत के प्रकार के अनुसार: पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) आधारित, पिच आधारित (आइसोट्रोपिक, मेसोफ़ेज़);विस्कोस बेस (सेलूलोज़ बेस, रेयान बेस)।उनमें से, पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) आधारित कार्बन फाइबर मुख्य धारा में है, और इसका उत्पादन कुल कार्बन फाइबर का 90% से अधिक है, जबकि विस्कोस आधारित कार्बन फाइबर 1% से कम है।

विनिर्माण स्थितियों और विधियों के अनुसार: कार्बन फाइबर (800-1600 ℃), ग्रेफाइट फाइबर (2000-3000 ℃), सक्रिय कार्बन फाइबर, वाष्प विकसित कार्बन फाइबर।

यांत्रिक गुणों के अनुसार, इसे सामान्य प्रकार और उच्च-प्रदर्शन प्रकार में विभाजित किया जा सकता है: सामान्य प्रकार के कार्बन फाइबर की ताकत लगभग 1000MPa है, और मापांक लगभग 100GPa है;उच्च प्रदर्शन प्रकार को उच्च शक्ति प्रकार (शक्ति 2000mPa, मापांक 250gpa) और उच्च मॉडल (मापांक 300gpa या अधिक) में विभाजित किया जा सकता है, जिनमें से 4000mpa से अधिक की शक्ति को अल्ट्रा-उच्च शक्ति प्रकार भी कहा जाता है, और 450gpa से अधिक मापांक है अल्ट्रा-हाई मॉडल कहा जाता है।

टो के आकार के अनुसार, इसे छोटे टो और बड़े टो में विभाजित किया जा सकता है: प्रारंभिक चरण में छोटे टो कार्बन फाइबर मुख्य रूप से 1K, 3K और 6K होते हैं, और धीरे-धीरे 12K और 24K में विकसित होते हैं, जो मुख्य रूप से एयरोस्पेस, खेल में उपयोग किया जाता है। और अवकाश क्षेत्र.48K से ऊपर के कार्बन फाइबर को आमतौर पर बड़े टो कार्बन फाइबर कहा जाता है, जिसमें 48K, 60K, 80K आदि शामिल हैं, जो मुख्य रूप से औद्योगिक क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं।

कार्बन फाइबर के गुणों का मूल्यांकन करने के लिए तन्यता ताकत और तन्यता मापांक दो मुख्य सूचकांक हैं।इसके आधार पर, चीन ने 2011 में पैन आधारित कार्बन फाइबर (जीबी/टी26752-2011) के लिए राष्ट्रीय मानक प्रख्यापित किया। साथ ही, वैश्विक कार्बन फाइबर उद्योग में टोरे के पूर्ण अग्रणी लाभ के कारण, अधिकांश घरेलू निर्माता भी टोरे के वर्गीकरण मानक को अपनाते हैं। संदर्भ मे।

1.2 उच्च बाधाएं उच्च अतिरिक्त मूल्य लाती हैं।प्रक्रिया में सुधार और बड़े पैमाने पर उत्पादन को साकार करने से लागत में काफी कमी आ सकती है और दक्षता में वृद्धि हो सकती है

1.2.1 उद्योग की तकनीकी बाधा अधिक है, पूर्ववर्ती उत्पादन मुख्य है, और कार्बोनाइजेशन और ऑक्सीकरण प्रमुख है

कार्बन फाइबर की उत्पादन प्रक्रिया जटिल है, जिसके लिए उच्च उपकरण और प्रौद्योगिकी की आवश्यकता होती है।प्रत्येक लिंक की सटीकता, तापमान और समय का नियंत्रण अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता को बहुत प्रभावित करेगा।पॉलीएक्रिलोनिट्राइल कार्बन फाइबर अपनी अपेक्षाकृत सरल तैयारी प्रक्रिया, कम उत्पादन लागत और तीन अपशिष्टों के सुविधाजनक निपटान के कारण वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला और सबसे अधिक उत्पादन वाला कार्बन फाइबर बन गया है।मुख्य कच्चा माल प्रोपेन कच्चे तेल से बनाया जा सकता है, और पैन कार्बन फाइबर उद्योग श्रृंखला में प्राथमिक ऊर्जा से लेकर टर्मिनल अनुप्रयोग तक पूरी विनिर्माण प्रक्रिया शामिल है।

कच्चे तेल से प्रोपेन तैयार होने के बाद, प्रोपेन के चयनात्मक उत्प्रेरक डिहाइड्रोजनेशन (पीडीएच) द्वारा प्रोपलीन प्राप्त किया गया था;

एक्रिलोनिट्राइल प्रोपलीन के एमोक्सिडेशन द्वारा प्राप्त किया गया था।पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) अग्रदूत एक्रिलोनिट्राइल के पोलीमराइजेशन और स्पिनिंग द्वारा प्राप्त किया गया था;

पॉलीएक्रिलोनिट्राइल को कार्बन फाइबर प्राप्त करने के लिए पूर्व ऑक्सीकरण, कम और उच्च तापमान पर कार्बोनाइज्ड किया जाता है, जिसे कार्बन फाइबर कंपोजिट के उत्पादन के लिए कार्बन फाइबर फैब्रिक और कार्बन फाइबर प्रीप्रेग में बनाया जा सकता है;

कार्बन फाइबर कंपोजिट बनाने के लिए कार्बन फाइबर को राल, सिरेमिक और अन्य सामग्रियों के साथ मिलाया जाता है।अंत में, डाउनस्ट्रीम अनुप्रयोगों के लिए अंतिम उत्पाद विभिन्न मोल्डिंग प्रक्रियाओं द्वारा प्राप्त किए जाते हैं;

अग्रदूत की गुणवत्ता और प्रदर्शन स्तर सीधे कार्बन फाइबर के अंतिम प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं।इसलिए, कताई समाधान की गुणवत्ता में सुधार और पूर्ववर्ती गठन के कारकों का अनुकूलन उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन फाइबर तैयार करने के प्रमुख बिंदु बन जाते हैं।

"पॉलीएक्रिलोनिट्राइल आधारित कार्बन फाइबर प्रीकर्सर की उत्पादन प्रक्रिया पर शोध" के अनुसार, कताई प्रक्रिया में मुख्य रूप से तीन श्रेणियां शामिल हैं: गीली कताई, सूखी कताई और सूखी गीली कताई।वर्तमान में, गीली कताई और सूखी गीली कताई का उपयोग मुख्य रूप से देश और विदेश में पॉलीएक्रिलोनिट्राइल अग्रदूत का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जिनमें से गीली कताई का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

गीली कताई पहले स्पिनरनेट छेद से कताई समाधान को बाहर निकालती है, और कताई समाधान छोटे प्रवाह के रूप में जमावट स्नान में प्रवेश करती है।पॉलीएक्रिलोनिट्राइल कताई समाधान की कताई तंत्र यह है कि कताई समाधान और जमावट स्नान में डीएमएसओ की एकाग्रता के बीच एक बड़ा अंतर है, और जमावट स्नान और पॉलीएक्रिलोनिट्राइल समाधान में पानी की एकाग्रता के बीच भी एक बड़ा अंतर है।उपरोक्त दो सांद्रता अंतरों की परस्पर क्रिया के तहत, तरल दो दिशाओं में फैलना शुरू हो जाता है, और अंततः बड़े पैमाने पर स्थानांतरण, गर्मी हस्तांतरण, चरण संतुलन आंदोलन और अन्य प्रक्रियाओं के माध्यम से फिलामेंट्स में संघनित हो जाता है।

प्रीकर्सर के उत्पादन में, डीएमएसओ की अवशिष्ट मात्रा, फाइबर आकार, मोनोफिलामेंट ताकत, मापांक, बढ़ाव, तेल सामग्री और उबलते पानी का संकोचन, प्रीकर्सर की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक बन जाते हैं।एक उदाहरण के रूप में डीएमएसओ की अवशिष्ट मात्रा को लेते हुए, इसका पूर्ववर्ती, क्रॉस-सेक्शन स्थिति और अंतिम कार्बन फाइबर उत्पाद के सीवी मूल्य के स्पष्ट गुणों पर प्रभाव पड़ता है।डीएमएसओ की अवशिष्ट मात्रा जितनी कम होगी, उत्पाद का प्रदर्शन उतना ही अधिक होगा।उत्पादन में, डीएमएसओ को मुख्य रूप से धुलाई द्वारा हटा दिया जाता है, इसलिए धुलाई के तापमान, समय, अलवणीकृत पानी की मात्रा और धुलाई चक्र की मात्रा को कैसे नियंत्रित किया जाए यह एक महत्वपूर्ण कड़ी बन जाती है।

उच्च गुणवत्ता वाले पॉलीएक्रिलोनिट्राइल प्रीकर्सर में निम्नलिखित विशेषताएं होनी चाहिए: उच्च घनत्व, उच्च क्रिस्टलीयता, उचित शक्ति, गोलाकार क्रॉस सेक्शन, कम भौतिक दोष, चिकनी सतह और समान और घनी त्वचा कोर संरचना।

कार्बोनाइजेशन और ऑक्सीकरण का तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण है।अग्रदूत से कार्बन फाइबर अंतिम उत्पादों के उत्पादन में कार्बोनाइजेशन और ऑक्सीकरण एक आवश्यक कदम है।इस चरण में, तापमान की सटीकता और सीमा को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाना चाहिए, अन्यथा, कार्बन फाइबर उत्पादों की तन्यता ताकत काफी प्रभावित होगी, और यहां तक ​​कि तार टूटने का कारण भी बन सकता है।

प्रीऑक्सीडेशन (200-300 ℃): प्रीऑक्सीडेशन प्रक्रिया में, पैन अग्रदूत को ऑक्सीकरण वातावरण में एक निश्चित तनाव लागू करके धीरे-धीरे और हल्के ढंग से ऑक्सीकरण किया जाता है, जिससे पैन सीधी श्रृंखला के आधार पर बड़ी संख्या में रिंग संरचनाएं बनती हैं, ताकि उच्च तापमान उपचार को झेलने के उद्देश्य को प्राप्त करें।

कार्बोनाइजेशन (अधिकतम तापमान 1000 ℃ से कम नहीं): कार्बोनाइजेशन प्रक्रिया निष्क्रिय वातावरण में की जानी चाहिए।कार्बोनाइजेशन के प्रारंभिक चरण में, पैन श्रृंखला टूट जाती है और क्रॉसलिंकिंग प्रतिक्रिया शुरू हो जाती है;तापमान में वृद्धि के साथ, थर्मल अपघटन प्रतिक्रिया से बड़ी संख्या में छोटे अणु गैसें निकलने लगती हैं, और ग्रेफाइट संरचना बनने लगती है;जब तापमान और बढ़ा तो कार्बन की मात्रा तेजी से बढ़ी और कार्बन फाइबर बनने लगा।

ग्रैफिटाइजेशन (2000 ℃ से ऊपर उपचार तापमान): कार्बन फाइबर उत्पादन के लिए ग्रैफिटाइजेशन एक आवश्यक प्रक्रिया नहीं है, बल्कि एक वैकल्पिक प्रक्रिया है।यदि कार्बन फाइबर का उच्च लोचदार मापांक अपेक्षित है, तो ग्राफ़िटाइजेशन की आवश्यकता है;यदि कार्बन फाइबर की उच्च शक्ति की अपेक्षा की जाती है, तो ग्राफ़िटाइजेशन आवश्यक नहीं है।ग्रेफाइटाइजेशन प्रक्रिया में, उच्च तापमान फाइबर को एक विकसित ग्रेफाइट जाल संरचना बनाता है, और अंतिम उत्पाद प्राप्त करने के लिए संरचना को ड्राइंग द्वारा एकीकृत किया जाता है।

उच्च तकनीकी बाधाएं डाउनस्ट्रीम उत्पादों को उच्च वर्धित मूल्य प्रदान करती हैं, और विमानन कंपोजिट की कीमत कच्चे रेशम की तुलना में 200 गुना अधिक है।कार्बन फाइबर तैयार करने की उच्च कठिनाई और जटिल प्रक्रिया के कारण, उत्पाद जितना अधिक डाउनस्ट्रीम होगा, अतिरिक्त मूल्य उतना ही अधिक होगा।विशेष रूप से एयरोस्पेस क्षेत्र में उपयोग किए जाने वाले उच्च-स्तरीय कार्बन फाइबर कंपोजिट के लिए, क्योंकि डाउनस्ट्रीम ग्राहकों की इसकी विश्वसनीयता और स्थिरता पर बहुत सख्त आवश्यकताएं होती हैं, उत्पाद की कीमत भी सामान्य कार्बन फाइबर की तुलना में ज्यामितीय एकाधिक वृद्धि दर्शाती है।