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碳纖維具有優(yōu)異的力學、化學、電學等性能,是國民經(jīng)濟與國防建設不可缺少的戰(zhàn)略新型材料,被譽為“黑色黃金”。進入21世紀,碳纖維生產(chǎn)工藝技術已經(jīng)成熟,未來隨著碳纖維復合材料成型技術的不斷發(fā)展,下游應用領域的不斷開拓,尤其是航空、汽車、風電葉片的強勁增長以及其帶動作用,碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈大致可以分為生產(chǎn)碳纖維材料的上游和生產(chǎn)碳纖維應用部件產(chǎn)品的下游,介于上下游之間的企業(yè)可以認為是碳纖維生產(chǎn)工藝中的設備提供商。
按我們的分類,碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游包括從原絲到碳纖維的過程,即原絲經(jīng)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(jīng)過碳化等工藝變?yōu)橐允w維結構為主的碳纖維。
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游為石油化工行業(yè),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(yè)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(zhì)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(chǎn)流程主要包括:拉絲、牽伸、穩(wěn)定、碳化、石墨化。
拉絲:這是碳纖維生產(chǎn)過程中的第—個步驟,這個過程是物理變化,主要是將原材料分離成纖過程,在這個過程中,紡絲液細流與凝固液之間的傳質(zhì)、傳熱、相平衡移動。導致PAN沉析形成凝膠結構的絲條。
牽伸:—般是在100-300度的溫度下進行,根據(jù)結定向纖維的拉伸效應來實現(xiàn)的,這個過程也是實現(xiàn)PAN纖維的高模量、高強化、致密化和細化的關鍵步驟。
穩(wěn)定:也就是常說的預軟化。通過400℃加熱氧化的方法使熱塑性PAN線形大分子鏈轉(zhuǎn)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(tài),熱力學處于穩(wěn)定狀態(tài)。
碳化:在1000-2000度范圍內(nèi)進行,將PAN中非碳元素驅(qū)除,較后生成含碳量90%以上具有亂層石墨結構的碳纖維。
石墨化:在2000-3000度的范圍內(nèi)進行,將無定型、亂層結構的碳化材料向三維石墨化結構轉(zhuǎn)化,是提高碳纖維模量的主要技術措施。
由上道原絲生產(chǎn)工藝產(chǎn)出的PAN原絲,經(jīng)過送絲架濕熱預牽伸后,由牽伸機構依次送入預氧化爐,經(jīng)過數(shù)臺預氧化爐群的不同梯度溫度場后制得預氧化纖維(預氧絲);預氧絲相繼進入中溫碳化爐和高溫碳化爐后制得碳纖維;碳纖維再經(jīng)過較終的表面處理、上漿、干燥等工藝得到碳纖維成品。全過程連續(xù)走絲,準確控制,任何—道工序出現(xiàn)些許問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和較終碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長,技術關鍵點多,生產(chǎn)壁壘高,是多學科、多技術的集成。
鹽城市翔盛碳纖維科技有限公司致力于研究碳纖維、小型飛行器制品(飛機油箱,航空頭盔,飛機尾翼,水上飛機浮筒)高模量 PE等特種纖維的多樣性及功能性,現(xiàn)已自主開發(fā)出塑料增強用碳纖維、碳纖維粉、制動系統(tǒng)用短切碳纖維、短切腈綸纖維、以及碳纖維繩、碳纖維布、碳纖維電熱線、碳纖維理療坐墊、碳纖維空氣凈化器、碳纖維短絲、碳纖維長絲特種纖維切割機等15個系列產(chǎn)品。