Ածխածնի մանրաթելերի արդյունաբերության խորը վերլուծություն. բարձր աճ, նոր նյութերի լայն տարածություն և բարձրորակ ուղի

Ածխածնի մանրաթելը, որը հայտնի է որպես 21-րդ դարի նոր նյութերի արքա, վառ մարգարիտ է նյութերի մեջ:Ածխածնի մանրաթել (CF) մի տեսակ անօրգանական մանրաթել է, որն ունի ավելի քան 90% ածխածնի պարունակություն:Օրգանական մանրաթելերը (վիսկոզայի հիմքով, սկիպիդար, պոլիակրիլոնիտրիլի վրա հիմնված մանրաթելեր և այլն) պիրոլիզվում և կարբոնացվում են բարձր ջերմաստիճանում՝ ձևավորելով ածխածնային ողնաշար:

Որպես ամրացված մանրաթելերի նոր սերունդ՝ ածխածնային մանրաթելն ունի գերազանց մեխանիկական և քիմիական հատկություններ:Այն ոչ միայն ունի ածխածնային նյութերի բնորոշ բնութագրերը, այլև ունի տեքստիլ մանրաթելի փափկությունն ու մշակելիությունը:Հետեւաբար, այն լայնորեն օգտագործվում է օդատիեզերական, էներգետիկ սարքավորումների, տրանսպորտի, սպորտի և ժամանցի ոլորտներում

Թեթև քաշ. որպես գերազանց կատարողականությամբ նոր ռազմավարական նյութ, ածխածնի մանրաթելի խտությունը գրեթե նույնն է, ինչ մագնեզիումի և բերիլիումի խտությունը՝ պողպատի 1/4-ից պակաս:Ածխածնի մանրաթելից կոմպոզիտ օգտագործելը որպես կառուցվածքային նյութ կարող է նվազեցնել կառուցվածքի քաշը 30%-40%-ով:

Բարձր ամրություն և բարձր մոդուլ. ածխածնային մանրաթելի տեսակարար ուժը 5 անգամ ավելի բարձր է, քան պողպատինը և 4 անգամ ավելի բարձր, քան ալյումինի խառնուրդինը;Հատուկ մոդուլը 1,3-12,3 անգամ է այլ կառուցվածքային նյութերից:

Փոքր ընդլայնման գործակից. ածխածնային մանրաթելերի մեծ մասի ջերմային ընդլայնման գործակիցը բացասական է սենյակային ջերմաստիճանում, 0-ը 200-400 ℃, և միայն 1,5-ը 1000 ℃ × 10-6/K-ից ցածր, հեշտ չէ ընդլայնել և դեֆորմացնել բարձր աշխատանքի պատճառով: ջերմաստիճանը.

Լավ քիմիական կոռոզիոն դիմադրություն. ածխածնի մանրաթելն ունի բարձր մաքուր ածխածնի պարունակություն, և ածխածինը ամենակայուն քիմիական տարրերից մեկն է, ինչը հանգեցնում է թթվային և ալկալային միջավայրում նրա շատ կայուն գործունեությանը, որը կարող է վերածվել բոլոր տեսակի քիմիական հակակոռոզիոն արտադրանքի:

Ուժեղ հոգնածության դիմադրություն. ածխածնի մանրաթելի կառուցվածքը կայուն է:Պոլիմերային ցանցի վիճակագրության համաձայն, սթրեսային հոգնածության փորձարկման միլիոնավոր ցիկլերից հետո կոմպոզիտի ուժի պահպանման մակարդակը դեռևս 60% է, մինչդեռ պողպատինը՝ 40%, ալյումինինը՝ 30%, իսկ ապակե մանրաթելից ամրացված պլաստիկը ընդամենը 20 է։ %–25%։

Ածխածնի մանրաթելային կոմպոզիտը ածխածնի մանրաթելի վերամիավորումն է:Թեև ածխածնի մանրաթելը կարող է օգտագործվել միայնակ և կատարել որոշակի գործառույթ, այն ի վերջո փխրուն նյութ է:Միայն այն դեպքում, երբ այն համակցված է մատրիցային նյութի հետ՝ ձևավորելով ածխածնային մանրաթելային կոմպոզիտ, այն կարող է ավելի լավ խաղալ իր մեխանիկական հատկություններին և կրել ավելի շատ բեռներ:

Ածխածնային մանրաթելերը կարող են դասակարգվել ըստ տարբեր չափերի, ինչպիսիք են պրեկուրսորի տեսակը, արտադրության մեթոդը և կատարողականությունը

Ըստ պրեկուրսորի տեսակի՝ պոլիակրիլոնիտրիլ (Պան) հիմնված, սկիպիդար (իզոտրոպ, մեզոֆազ);Վիսկոզայի հիմք (ցելյուլոզային հիմք, ռայոնային հիմք):Դրանցից պոլիակրիլոնիտրիլային (Pan) վրա հիմնված ածխածնային մանրաթելն զբաղեցնում է հիմնական դիրքը, և դրա արտադրանքը կազմում է ընդհանուր ածխածնային մանրաթելի ավելի քան 90%-ը, մինչդեռ վիսկոզայի վրա հիմնված ածխածնային մանրաթելը կազմում է 1%-ից պակաս:

Ըստ արտադրության պայմանների և մեթոդների՝ ածխածնի մանրաթել (800-1600 ℃), գրաֆիտի մանրաթել (2000-3000 ℃), ակտիվացված ածխածնի մանրաթել, գոլորշիով աճեցված ածխածնի մանրաթել։

Ըստ մեխանիկական հատկությունների, այն կարելի է բաժանել ընդհանուր տիպի և բարձր արտադրողականության տիպի. ընդհանուր տիպի ածխածնային մանրաթելի ուժը մոտ 1000 ՄՊա է, իսկ մոդուլը մոտ 100 ԳՊա;Բարձր արդյունավետության տեսակը կարելի է բաժանել բարձր ուժի տիպի (ուժ 2000 մՊա, մոդուլ 250 գպա) և բարձր մոդելի (մոդուլ 300 գպա կամ ավելի), որոնցից 4000 մփա-ից ավելի ուժը կոչվում է նաև ծայրահեղ բարձր ուժի տեսակ, իսկ 450 գպա-ից ավելի մոդուլը՝ կոչվում է գերբարձր մոդել:

Ըստ քարշակի չափի՝ այն կարելի է բաժանել փոքր քարշակի և մեծ քարշակի՝ փոքր քարշակային ածխածնային մանրաթելը սկզբնական փուլում հիմնականում 1K, 3K և 6K է, և աստիճանաբար վերածվում է 12K և 24K, որը հիմնականում օգտագործվում է օդատիեզերքում, սպորտում։ և ժամանցի դաշտեր։48K-ից բարձր ածխածնային մանրաթելերը սովորաբար կոչվում են խոշոր ածխածնային մանրաթելեր, ներառյալ 48K, 60K, 80K և այլն, որոնք հիմնականում օգտագործվում են արդյունաբերական ոլորտներում:

Առաձգական ուժը և առաձգական մոդուլը ածխածնային մանրաթելի հատկությունները գնահատելու երկու հիմնական ցուցանիշն են:Ելնելով դրանից՝ Չինաստանը 2011 թվականին հրապարակեց PAN-ի վրա հիմնված ածխածնային մանրաթելերի ազգային ստանդարտը (GB / t26752-2011): Միևնույն ժամանակ, ածխածնային մանրաթելերի համաշխարհային արդյունաբերության մեջ Toray-ի բացարձակ առաջատար առավելության շնորհիվ, տեղական արտադրողների մեծ մասը ընդունում է նաև Toray-ի դասակարգման ստանդարտը: որպես հղում։

1.2 բարձր արգելքները բերում են բարձր հավելյալ արժեք:Գործընթացի բարելավումը և զանգվածային արտադրության իրականացումը կարող են զգալիորեն նվազեցնել ծախսերը և բարձրացնել արդյունավետությունը

1.2.1 Արդյունաբերության տեխնիկական խոչընդոտը բարձր է, պրեկուրսորների արտադրությունը հիմնականն է, իսկ ածխաջրածինը և օքսիդացումը՝ առանցքային:

Ածխածնային մանրաթելերի արտադրության գործընթացը բարդ է, ինչը պահանջում է բարձր սարքավորումներ և տեխնոլոգիաներ։Յուրաքանչյուր օղակի ճշգրտության, ջերմաստիճանի և ժամանակի վերահսկումը մեծապես կազդի վերջնական արտադրանքի որակի վրա:Պոլիակրիլոնիտրիլ ածխածնային մանրաթելը դարձել է ներկայումս ամենաշատ օգտագործվող և ամենաբարձր արդյունահանվող ածխածնային մանրաթելը՝ իր համեմատաբար պարզ պատրաստման գործընթացի, արտադրության ցածր գնի և երեք թափոնների հարմար հեռացման շնորհիվ:Հիմնական հումքի պրոպանը կարող է պատրաստվել հում նավթից, իսկ PAN ածխածնային մանրաթելերի արդյունաբերության շղթան ներառում է ամբողջական արտադրական գործընթաց՝ առաջնային էներգիայից մինչև տերմինալային կիրառություն:

Հում նավթից պրոպան պատրաստելուց հետո պրոպիլենը ստացվել է պրոպանի ընտրովի կատալիտիկ ջրազրկմամբ (PDH).

Ակրիլոնիտրիլը ստացվել է պրոպիլենի ամօքսիդացումից։Պոլիակրիլոնիտրիլի (Պան) պրեկուրսորը ստացվել է ակրիլոնիտրիլի պոլիմերացման և պտտման միջոցով;

Պոլիակրիլոնիտրիլը նախապես օքսիդացվում է, ցածր և բարձր ջերմաստիճանում կարբոնացվում է ածխածնային մանրաթել ստանալու համար, որը կարող է վերածվել ածխածնային մանրաթելից պատրաստված գործվածքի և ածխածնային մանրաթելից պատրաստված ածխածնային մանրաթելային կոմպոզիտների արտադրության համար.

Ածխածնի մանրաթելը համակցվում է խեժի, կերամիկայի և այլ նյութերի հետ՝ ձևավորելով ածխածնային մանրաթելային կոմպոզիտներ:Վերջապես, ներքևի կիրառման համար վերջնական արտադրանքը ստացվում է ձուլման տարբեր գործընթացներով.

Նախածանցի որակը և կատարողականի մակարդակը ուղղակիորեն որոշում են ածխածնային մանրաթելի վերջնական կատարումը:Հետևաբար, պտտվող լուծույթի որակի բարելավումը և պրեկուրսորների ձևավորման գործոնների օպտիմալացումը դառնում են բարձրորակ ածխածնային մանրաթելերի պատրաստման առանցքային կետերը:

Ըստ «Պոլիակրիլոնիտրիլային հիմքով ածխածնային մանրաթելերի պրեկուրսորի արտադրության գործընթացի ուսումնասիրության» մանման գործընթացը հիմնականում ներառում է երեք կատեգորիա՝ թաց մանում, չոր մանում և չոր թաց մանում:Ներկայումս թաց պտտումը և չոր թաց մանումը հիմնականում օգտագործվում են տանը և արտերկրում պոլիակրիլոնիտրիլային պրեկուրսոր արտադրելու համար, որոնց թվում առավել լայնորեն կիրառվում է թաց մանումը:

Թաց պտտումը սկզբում դուրս է մղում պտտվող լուծույթը պտտվող անցքից, իսկ պտտվող լուծույթը փոքր հոսքի տեսքով մտնում է կոագուլյացիայի բաղնիք:Պոլիակրիլոնիտրիլ մանող լուծույթի պտտվող մեխանիզմն այն է, որ մեծ բաց կա DMSO-ի կոնցենտրացիայի միջև պտտվող լուծույթում և կոագուլյացիայի բաղնիքում, ինչպես նաև մեծ բաց կա կոագուլյացիայի լոգարանում ջրի կոնցենտրացիայի և պոլիակրիլոնիտրիլի լուծույթի միջև:Վերոնշյալ երկու կոնցենտրացիայի տարբերությունների փոխազդեցության ներքո հեղուկը սկսում է ցրվել երկու ուղղությամբ և վերջապես խտանում է թելերի՝ զանգվածի փոխանցման, ջերմության փոխանցման, փուլային հավասարակշռության շարժման և այլ գործընթացների միջոցով:

Պրեկուրսորի արտադրության մեջ DMSO-ի մնացորդային քանակությունը, մանրաթելի չափը, մոնաթելային ուժը, մոդուլը, երկարացումը, յուղի պարունակությունը և եռացող ջրի կծկումը դառնում են պրեկուրսորի որակի վրա ազդող հիմնական գործոնները:Որպես օրինակ վերցնելով DMSO-ի մնացորդային քանակությունը, այն ազդում է վերջնական ածխածնային մանրաթելային արտադրանքի պրեկուրսորի ակնհայտ հատկությունների, խաչմերուկի վիճակի և CV արժեքի վրա:Որքան ցածր է DMSO-ի մնացորդային քանակը, այնքան բարձր է արտադրանքի արդյունավետությունը:Արտադրության մեջ DMSO-ն հիմնականում հեռացվում է լվացման միջոցով, ուստի այն, թե ինչպես վերահսկել լվացման ջերմաստիճանը, ժամանակը, աղազրկված ջրի քանակը և լվացման ցիկլի քանակը դառնում է կարևոր օղակ:

Բարձրորակ պոլիակրիլոնիտրիլային պրեկուրսորը պետք է ունենա հետևյալ բնութագրերը՝ բարձր խտություն, բարձր բյուրեղություն, համապատասխան ամրություն, շրջանաձև խաչմերուկ, ավելի քիչ ֆիզիկական թերություններ, հարթ մակերես և մաշկի առանցքի միատեսակ ու խիտ կառուցվածք:

Կարբոնացման և օքսիդացման ջերմաստիճանի վերահսկումը հիմնականն է:Կարբոնացումը և օքսիդացումը կարևոր քայլ են ածխածնի մանրաթելից վերջնական արտադրանքի արտադրության մեջ:Այս քայլում ջերմաստիճանի ճշգրտությունը և միջակայքը պետք է ճշգրիտ վերահսկվեն, հակառակ դեպքում ածխածնային մանրաթելից պատրաստված արտադրանքի առաձգական ուժը զգալիորեն կազդի և նույնիսկ կհանգեցնի մետաղալարերի կոտրմանը:

Նախաօքսիդացում (200-300 ℃). նախաօքսիդացման գործընթացում PAN պրեկուրսորը դանդաղ և թեթև օքսիդացվում է օքսիդացնող մթնոլորտում որոշակի լարվածություն կիրառելու միջոցով՝ թավայի ուղիղ շղթայի հիման վրա ձևավորելով մեծ թվով օղակաձև կառուցվածքներ, որպեսզի հասնել ավելի բարձր ջերմաստիճանի բուժմանը դիմակայելու նպատակին:

Կարբոնացում (առավելագույն ջերմաստիճանը 1000 ℃-ից ոչ ցածր). ածխաթթվացման գործընթացը պետք է իրականացվի իներտ մթնոլորտում:Կարբոնացման վաղ փուլում թավայի շղթան կոտրվում է և սկսվում է խաչաձև կապի ռեակցիան.Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ ջերմային տարրալուծման ռեակցիան սկսում է ազատել մեծ քանակությամբ փոքր մոլեկուլային գազեր, և սկսում է ձևավորվել գրաֆիտի կառուցվածքը.Երբ ջերմաստիճանը ավելի բարձրացավ, ածխածնի պարունակությունը արագորեն ավելացավ, և ածխածնի մանրաթելը սկսեց ձևավորվել:

Գրաֆիտացում (մշակման ջերմաստիճանը 2000 ℃-ից բարձր). գրաֆիտացումը ածխածնային մանրաթելերի արտադրության համար անհրաժեշտ գործընթաց չէ, այլ ընտրովի գործընթաց:Եթե ​​ակնկալվում է ածխածնի մանրաթելի բարձր առաձգական մոդուլ, անհրաժեշտ է գրաֆիտացում;Եթե ​​ակնկալվում է ածխածնային մանրաթելի բարձր ամրություն, ապա գրաֆիտացումը անհրաժեշտ չէ:Գրաֆիտացման գործընթացում բարձր ջերմաստիճանը ստիպում է մանրաթելին ձևավորել զարգացած գրաֆիտային ցանցի կառուցվածք, և կառուցվածքը ինտեգրվում է գծագրությամբ՝ վերջնական արդյունք ստանալու համար:

Բարձր տեխնիկական խոչընդոտները ներքևում գտնվող արտադրանքին տալիս են բարձր հավելյալ արժեք, իսկ ավիացիոն կոմպոզիտների գինը 200 անգամ ավելի բարձր է, քան հում մետաքսինը։Ածխածնային մանրաթելերի պատրաստման և բարդ գործընթացի բարձր դժվարության պատճառով, որքան ավելի ցածր են արտադրանքը, այնքան բարձր է ավելացված արժեքը:Հատկապես օդատիեզերական ոլորտում օգտագործվող բարձրակարգ ածխածնային մանրաթելերի կոմպոզիտների համար, քանի որ ներքևում գտնվող հաճախորդները շատ խիստ պահանջներ ունեն դրա հուսալիության և կայունության վերաբերյալ, արտադրանքի գինը նաև ցույց է տալիս երկրաչափական բազմակի աճ՝ համեմատած սովորական ածխածնի մանրաթելի հետ: