Suchovláknový mokrý proces vs suchý proces vs mokrý proces

Uhlíková vlákna jsou označována jako „král nových materiálů“ a nacházejí rozsáhlé uplatnění v leteckém průmyslu, výrobě automobilů, sportovním vybavení a dalších oblastech. Ale věděli jste, že i uvnitř uhlíkových vláken se výrobní procesy mohou výrazně lišit? Dnes podrobně analyzujeme tři klíčové technologie výroby uhlíkových vláken – suché tryskové tvarování, suché tvarování a mokré tvarování – a zkoumáme, jak tyto technologie vybírají přední domácí i mezinárodní společnosti.

Suché tryskové mokré tvarování (Hlavní volba pro vysokovýkonná uhlíková vlákna)

Definice

Suché tryskové mokré tvarování, jak název napovídá, kombinuje vlastnosti procesů „suchého tvarování“ i „mokrého tvarování“. Tato technika se používá hlavně k výrobě vysokovýkonných PAN-bazovaných prekurorů uhlíkových vláken.

Výrobní postup
(1) Příprava tvarovacího roztoku: Polyakrylonitril (PAN) se rozpustí v určitém rozpouštědle za vzniku viskézního tvarovacího roztoku.
(2) Suché sprejování: Řešení se nanáší pomocí trysky a nejprve prochází vrstvou vzduchu (obvykle několik milimetrů až centimetrů).
(3) Mokré zvlákňování: Svazek vláken poté vstupuje do koagulační lázně, kde rychle tuhne a vytváří strukturu.
(4) Dopořební zpracování: Prostřednictvím kroků jako je praní, protahování, mazání a sušení je nakonec vytvořen předkurzor uhlíkových vláken.

Technické výhody
(1) Homogenizovaná struktura vláken: Napětí ve vzduchové vrstvě zlepšuje orientaci molekulárních řetězců
(2) Hladší povrch: Snížení povrchových vad, což zlepšuje mechanické vlastnosti konečného uhlíkového vlákna
(3) Vyšší výrobní účinnost: Rychlost zvlákňování dosahuje 2–3násobku rychlosti mokrého zvlákňování
(4) Vhodné pro výrobu vláken s vysokým výkonem: Například T700, T800 a vyšší třídy uhlíkových vláken

Mokré zvlákňování (tradiční, zralá metoda)

Definice

Mokré zvlákňování je nejstarší metodou průmyslové výroby předkurzorů uhlíkových vláken. I když je technologie zralá, má určitá omezení.
Polymer je rozpuštěn v vhodném rozpouštědle za vzniku koncentrovaného roztoku (spřádací lázeň). Tento roztok je následně tlačen mikropóry trysky přímo do tuhnutíové lázně obsahující nerozpouštědlo. V lázni dochází k obousměrné difúzi mezi rozpouštědlem ve spřádacím proudu a nerozpouštědlem v lázni. To způsobuje vysrážení a ztuhnutí polymeru, při čemž vznikají primární vlákna.

Výrobní postup
(1) Příprava spřádacího roztoku: PAN rozpuštěný v rozpouštědle (např. DMF, DMSO)
(2) Přímé tuhnutí: Spřádací roztok vytláčený z trysky přímo do tuhnutíové lázně
(3) Tuhnutí separací fáze: Tuhnutí dosaženo obousměrným difuzním procesem
(4) Následná úprava: Promývání, protahování, sušení atd.

Technické parametry
(1) Omezené tvary průřezu: Převážně kruhové nebo oválné
(2) Relativně nízká rychlost spřádání: Obvykle 50–150 m/min
(3) Náchylnost k povrchovým vadám: Náchylné na povrchové póry a drážky
(4) Relativně jednoduché vybavení: vhodné pro výrobu uhlíkových vláken střední až nízké kvality

Suché spuní (speciální výběr uhlíkových vláken)

Definice

Suché spuní je další významnou metodou přípravy prekurzorů uhlíkových vláken, zejména používanou při výrobě určitých speciálních typů uhlíkových vláken.
Suché spuní zahrnuje extruzi polymerového roztoku skrz výtlačné destičky (spinnerety), při které se rozpouštědlo odpařuje přímo v horkém vzduchu a tvoří se tak vlákna (např. při výrobě elastanu). V průmyslu uhlíkových vláken je však tento termín často mylně používán jako zkratka za „suchým spuním vytvořený mokrou cestou“ (DSWL).

Výrobní postup
(1) Příprava roztoku: polymerní látka se rozpustí ve těkavém rozpouštědle
(2) Extruze a odpařování rozpouštědla: roztok je extrudován skrz výtlačnou destičku přímo do vyhřívaného spinovacího tunelu naplněného horkým vzduchem
(3) Recyklace rozpouštědla: odpařené rozpouštědlo je zachyceno a znovu použito
(4) Sběr vláken: plně ztuhlá vlákna jsou navinuta a odebrána

Technické parametry
(1) Různé tvary průřezu vláken: Schopnost vyrábět vlákna s nepravidelnými průřezy
(2) Komplexní systém recyklace rozpouštědel: Vyžaduje sofistikované vybavení pro recyklaci rozpouštědel
(3) Vhodné pro specifické polymery: Například určité modifikované PAN nebo jiné polymerní prekurzory uhlíkových vláken

Komplexní srovnávací tabulka tří hlavních technologií

Porovnání technologických plánů hlavních firem

Budoucí vývojové trendy

(1) Optimalizace technologie suchého postřiku a mokrého tažení: Rozvoj směrem k vyšším rychlostem tažení a stabilnější kvalitě za účelem dalšího snížení nákladů na vysokovýkonné uhlíková vlákna.
(2) Inovace mokrého tažení: Zvyšování výkonu mokře tažených vláken prostřednictvím vylepšení procesu, aby se rozšířily aplikace pole.
(3) Inovace integrace procesů: Vývoj nových kompozitních technik tažení kombinací výhod různých procesů.
(4) Zelená výroba: Vytváření ekologických rozpouštědelových systémů ke snížení dopadu na životní prostředí během výroby.

Lehká, a přesto pružná povaha uhlíkových vláken vyplývá z důkladně vyřízených výrobních procesů. Od tradiční zralosti mokrého tažení po specializované aplikace suchého tažení a vysokovýkonnostní průlomy suchého-mokrého tažení – každá technika představuje krystalizaci důvtipu materiálových vědců.

Porozumění těmto technologickým rozdílům nejen vysvětluje široké cenové rozpětí uhlíkových vláken, ale také osvětluje náročnou cestu a pozoruhodných úspěchů čínského průmyslu uhlíkových vláken, jak přechází od dohánění ke spoluběhu. Na cestě k výrobě materiálové velmoci si každý technologický průlom zaslouží naši pozornost a potles.