Trockengespunnen Nassgeformt vs. Trockenprozess vs. Nassprozess

Kohlenstofffaser wird als „König der neuen Materialien“ bezeichnet und findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilproduktion, Sportgeräten und anderen Bereichen. Aber wussten Sie, dass selbst innerhalb der Kohlenstofffaser die Herstellungsverfahren erheblich variieren können? Heute analysieren wir umfassend die drei Schlüsseltechnologien zur Herstellung von Kohlenstofffaser – Trockenstrangspinnen, Trockenspinnen und Nassspinnen – und untersuchen, wie bedeutende nationale und internationale Unternehmen diese Technologien auswählen.

Nassspinnverfahren mit trockenem Strahl (Die Standardwahl für Hochleistungskohlenstofffasern)

Definition

Das Trockenstrahl-Nassspinnverfahren kombiniert, wie der Name schon sagt, Eigenschaften sowohl des „Trockenspinns“ als auch des „Nassspinnens“. Diese Technik wird hauptsächlich zur Herstellung von hochwertigen PAN-basierten Kohlenstofffaser-Vorläufern verwendet.

Prozessablauf
(1) Vorbereitung der Spinnlösung: Polyacrylnitril (PAN) wird in einem bestimmten Lösungsmittel gelöst, um eine viskose Spinnlösung zu bilden.
(2) Trockenspinn-Phase: Die Spinnlösung wird durch eine Spinnplatte extrudiert und passiert zunächst eine Luftschicht (typischerweise mehrere Millimeter bis Zentimeter).
(3) Nassspinn-Phase: Das Faserbündel tritt danach in ein Koagulationsbad ein, in dem es schnell erstarrt und formt.
(4) Nachbearbeitung: Durch Schritte wie Waschen, Strecken, Ölen und Trocknen entsteht letztendlich der Kohlenstofffaser-Präkursor.

Technische Vorteile
(1) Gleichmäßigere Faserstruktur: Die Spannung innerhalb der Luftschicht verbessert die Ausrichtung der Molekülketten
(2) Glattere Oberfläche: Verringert Oberflächendefekte und verbessert die mechanischen Eigenschaften der endgültigen Kohlenstofffaser
(3) Höhere Produktions-effizienz: Die Spinn-Geschwindigkeit erreicht das 2- bis 3-fache der Nassspinnung
(4) Geeignet für die Herstellung von Hochleistungsfasern: Zum Beispiel T700, T800 und höherwertige Kohlenstofffasern

Nassspinnung (traditionelle, ausgereifte Methode)

Definition

Die Nassspinnung ist die früheste Methode zur industriellen Herstellung von Kohlenstofffaser-Präkursoren. Obwohl technisch ausgereift, weist sie gewisse Einschränkungen auf.
Ein Polymer wird in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, um eine konzentrierte Lösung (Spinnbad) zu bilden. Diese Lösung wird anschließend durch die Mikroporen einer Spinndüse extrudiert und direkt in ein Erstarrungsbad injiziert, das ein Nicht-Lösungsmittel enthält. Im Bad erfolgt eine bidirektionale Diffusion zwischen dem Lösungsmittel im Spinnstrom und dem Nicht-Lösungsmittel im Bad. Dadurch fällt das Polymer aus und erstarrt, wodurch Primärfasern entstehen.

Prozessablauf
(1) Vorbereitung der Spinnlösung: PAN gelöst in Lösungsmittel (z. B. DMF, DMSO)
(2) Direkte Erstarrung: Extrusion der Spinnlösung aus der Spinndüse direkt in das Erstarrungsbad
(3) Erstarrung durch Phasenseparation: Die Erstarrung erfolgt über einen bidirektionalen Diffusionsprozess
(4) Nachbehandlung: Waschen, Strecken, Trocknen usw.

Technische Merkmale
(1) Begrenzte Querschnittsformen: Vorwiegend kreisförmig oder oval
(2) Relativ geringe Spinngeschwindigkeit: Typischerweise 50–150 m/min
(3) Anfällig für Oberflächendefekte: Empfindlich gegenüber Oberflächenporen und Rillen
(4) Relativ einfache Ausrüstung: Geeignet zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit mittlerer bis niedriger Leistung

Trockenspinnen (Spezial-Kohlenstofffaser-Auswahl)

Definition

Das Trockenspinnverfahren ist eine weitere bedeutende Methode zur Herstellung von Vorläufern für Kohlenstofffasern, insbesondere bei der Produktion bestimmter Spezialkohlenstofffasern.
Beim Trockenspinnen wird eine Polymerslösung durch Spinndüsen extrudiert, wobei das Lösungsmittel direkt in heißer Luft verdampft und so Fasern bildet (z. B. bei der Spandex-Herstellung). In der Kohlenstofffaserindustrie wird der Begriff jedoch oft fälschlicherweise als Abkürzung für „dry-spun wet-laid“ (DSWL) verwendet.

Prozessablauf
(1) Lösungsherstellung: Polymer in flüchtigem Lösungsmittel auflösen
(2) Extrusion und Lösungsmittelverdampfung: Die Lösung wird direkt durch eine Spinndüse in einen mit Heißluft gefüllten Spinnkanal extrudiert
(3) Lösungsmittelrückgewinnung: Das verdampfte Lösungsmittel wird zur Wiederverwendung zurückgewonnen
(4) Faseraufnahme: Vollständig erstarrte Fasern werden aufgespult und gesammelt

Technische Merkmale
(1) Verschiedene Faserquerschnittsformen: Kann Fasern mit unregelmäßigen Querschnitten herstellen
(2) Komplexes Lösungsmittelrückgewinnungssystem: Erfordert anspruchsvolle Ausrüstung zur Lösungsmittelrückgewinnung
(3) Geeignet für spezifische Polymere: Beispielsweise bestimmte modifizierte PAN oder andere Vorläuferpolymere für Kohlenstofffasern

Umfassende Vergleichstabelle der drei Haupttechnologien

Vergleich der technologischen Unternehmensroadmaps

Zukunftsentwicklungstrends

(1) Optimierung der Trocken-Sprüh-Nassspinn-Technologie: Weiterentwicklung hin zu höheren Spinngegeschwindigkeiten und stabilerer Qualität, um die Kosten für Hochleistungs-Carbonfasern weiter zu senken.
(2) Weiterentwicklung der Nassspinnung: Verbesserung der Leistungseigenschaften nassgesponnener Fasern durch Prozessoptimierungen, um die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern anwendung felder.
(3) Innovationsintegration von Prozessen: Entwicklung neuartiger Verbundspinnverfahren durch Kombination der Vorteile verschiedener Technologien
(4) Grüne Produktion: Schaffung umweltfreundlicher Lösungsmittelsysteme, um die ökologische Belastung während der Produktion zu reduzieren

Die leichte, dennoch belastbare Eigenschaft von Carbonfaser resultiert aus präzise verfeinerten Herstellungsverfahren. Von der traditionell ausgereiften Nassspinnung über die spezialisierten Anwendungen der Trockenspinnung bis hin zu den Hochleistungs-Durchbrüchen der Trocken-Nassspinnung – jedes Verfahren verkörpert die Zusammenführung von Ingenieursleistung und Materialwissenschaft.

Das Verständnis dieser technologischen Unterschiede erklärt nicht nur die breite Preisspanne bei Kohlefasern, sondern beleuchtet auch den schwierigen Weg und die bemerkenswerten Leistungen der chinesischen Kohlefasernbranche, während sie sich vom Nachholen zum Gleichzug entwickelt. Auf dem Weg zur Werkstoffmacht verdient jeder technologische Durchbruch unsere Aufmerksamkeit und Anerkennung.