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解讀”黑黃金”碳纖維產業鏈 從原絲生產到成品

編輯:廈門科元塑膠有限公司  時間:2021-01-06

碳纖維是一種含碳量超過95%的纖維材料,具有優異的力學,化學,電學等優良特性,是”新材料之王”,是軍民發展不同缺少的戰略性材料,價格非常昂貴,通常又被稱為”黑黃金”。


碳纖維生產工藝技術發展到今,已然成熟,隨著碳纖維復合材料不斷發展,越來越受各行各業的青睞,尤其是航空、汽車、軌道、風電葉片等強勁增長以及其帶動作用,碳纖維產業發展前景更加廣闊。

碳纖維產業鏈可以分為上游和下游。上游通常是指生產碳纖維專用的材料;下游通常是指生產碳纖維應用部件的產品。介于上下游之間的企業可以認為他們是碳纖維生產工藝中的設備提供商。如圖:


碳纖維產業鏈上游從原絲到碳纖維整個過程,需要經過氧化爐、碳化爐、石墨化爐、表面處理、上漿等工藝,將以聚丙烯腈結構為主的原絲經過碳化等工藝變為以石墨纖維結構為主的碳纖維。


碳纖維產業鏈上游屬于石油化工行業,主要通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈;碳纖維企業通過對以丙烯腈為主的原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈,再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲,對原絲進行預氧化、碳化等工藝制得碳纖維,通過對碳纖維和高質量樹脂的加工以獲得碳纖維復合材料以滿足應用需求。


碳纖維的生產流程主要包括:拉絲、牽伸、穩定、碳化、石墨化。如圖:



拉絲:這是碳纖維生產過程中的第一步,主要把原材料分離成纖,屬于物理變化,在這過程中,紡絲液細流與凝固液之間的傳質、傳熱,最后PAN沉析形成凝膠結構的絲條。


牽伸:要求溫度100到300度,結合定向纖維的拉伸效應來操作。也是PAN纖維的高模量、高強化、、致密化和細化的關鍵步驟。


穩定:使用400度加熱氧化的方法使熱塑性PAN線形大分子鏈轉化為非塑性耐熱梯形結構,使其在高溫下不熔不燃,保持纖維形態,熱力學處于穩定狀態。


碳化:需要在溫度1千到2千度,將PAN中非碳元素驅除,最后生成含碳量90%以上的具有亂層石墨結構的碳纖維。

石墨化:需要溫度在2千到3千度,將無定型、亂層結構的碳化材料向三維石墨結構轉化,是提高碳纖維模量的主要技術措施。


碳纖維從原絲生產工藝到制成品的詳細過程就是由上道原絲生產工藝產出PAN原絲,經過送絲架濕熱預牽伸后,由牽伸機器依次傳送到預氧化爐,經過數臺預氧化爐群的不同梯度的溫度烤化后,形成氧化纖維即預氧絲;預氧絲經過中溫、高溫碳化爐后形成碳纖維;碳纖維再經過最終的表面處理上漿、干燥等工藝得到碳纖維成品。全過程連續走絲,精確控制,任何一道工序出現些許問題都會影響穩定生產和最終碳纖維產品的質量。碳纖維生產工藝流程長,技術關鍵點多,生產壁壘高,是多學科、多技術的集成。

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