Ξηρό Πλέξιμο Υγρής Διαμόρφωσης vs Ξηρή Διαδικασία vs Υγρή Διαδικασία

Η ίνα άνθρακα αποκαλείται «Βασιλιάς των Νέων Υλικών», με εκτεταμένες εφαρμογές στον αεροδιαστημικό τομέα, στην αυτοκινητοβιομηχανία, στον εξοπλισμό των αθλημάτων και σε άλλα πεδία. Αλλά γνωρίζατε; Ακόμη και μέσα στην ίνα άνθρακα, οι διαδικασίες παραγωγής μπορούν να διαφέρουν δραματικά. Σήμερα, θα αναλύσουμε εκτενώς τις τρεις βασικές τεχνολογίες για την παραγωγή ίνας άνθρακα—στεγνή βαλανίδα, στεγνή έκχυση και υγρή έκχυση—και θα εξετάσουμε πώς οι μεγάλες εγχώριες και διεθνείς εταιρείες επιλέγουν αυτές τις τεχνολογίες.

Στεγνή-βαλανίδα-υγρή-έκχυση (Η κυρίαρχη επιλογή για υψηλής απόδοσης ίνα άνθρακα)

Ορισμός

Η στεγνή-ψεκασμού-υγρή έκχυση, όπως υποδηλώνει το όνομα, συνδυάζει τα χαρακτηριστικά των διαδικασιών «στεγνής έκχυσης» και «υγρής έκχυσης». Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή υψηλής απόδοσης πρόδρομων ίνας άνθρακα βασισμένης σε PAN.

Ροή διαδικασίας
(1) Παρασκευή Διαλύματος Έκχυσης: Το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN) διαλύεται σε ένα συγκεκριμένο διαλυτή για να σχηματιστει ένα ιξώδες διάλυμα έκχυσης.
(2) Στάδιο ξηρού ψεκασμού: Το διάλυμα πλένεται μέσω πλάκας spinneret και αρχικά διέρχεται μέσα από ένα στρώμα αέρα (συνήθως αρκετών χιλιοστών έως εκατοστών).
(3) Στάδιο υγρής διέλασης: Η δέσμη ινών εισέρχεται στη συνέχεια σε λουτρό πήξης, όπου στερεοποιείται γρήγορα και σχηματίζεται.
(4) Μετα-επεξεργασία: Μέσω βημάτων όπως πλύση, τράβηγμα, λίπανση και στέγνωμα, σχηματίζεται τελικά ο πρόδρομος της άνθρακα ίνας.

Τεχνικά Πλεονεκτήματα
(1) Πιο ομοιόμορφη δομή ινών: Η τάση μέσα στο στρώμα αέρα βελτιώνει τον προσανατολισμό της μοριακής αλυσίδας
(2) Ομαλότερη επιφάνεια: Μειώνει τα επιφανειακά ελαττώματα, βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες της τελικής ίνας άνθρακα
(3) Υψηλότερη απόδοση παραγωγής: Η ταχύτητα διέλασης φτάνει το 2-3 φορές αυτής της υγρής διέλασης
(4) Κατάλληλη για την παραγωγή υψηλής απόδοσης ινών: Όπως T700, T800 και άνω βαθμού ίνες άνθρακα

Υγρή Διέλαση (Παραδοσιακή Ώριμη)

Ορισμός

Η υγρή διέλαση είναι η πρώτη μέθοδος για τη βιομηχανική παραγωγή προδρόμων ινών άνθρακα. Αν και τεχνικά ώριμη, έχει ορισμένους περιορισμούς.
Ένα πολυμερές διαλύεται σε ένα κατάλληλο διαλυτή για να σχηματιστεί ένα πυκνό διάλυμα (λουτρό ύφανσης). Αυτό το διάλυμα εκτώθεται στη μέσα από τις μικρές οπές ενός μήτρου και απευθείας εισάγεται σε ένα λουτρό στερέωσης που περιέχει έναν αδιάλυτο. Μέσα στο λουτρό, συμβαίνει δισδιάστατη διάχυση μεταξύ του διαλύτη στη ροή ύφανσης και του αδιάλυτου στο λουτρό. Αυτό προκαλεί την εναπόθεση και στερέωση του πολυμερούς, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πρωτογενών ινών.

Ροή διαδικασίας
(1) Παρασκευή Διαλύματος Ύφανσης: PAN διαλυμένο σε διαλυτή (π.χ., DMF, DMSO)
(2) Απευθείας Στερέωση: Εκτρύση του διαλύματος ύφανσης από το μήτρο απευθείας στο λουτρό στερέωσης
(3) Στερέωση μέσω Διαχωρισμού Φάσεων: Η στερέωση επιτυγχάνεται μέσω διαδικασίας δισδιάστατης διάχυσης
(4) Μεταποικιλία: Πλύσιμο, τένωση, στέγνωμα, κ.λπ.

Τεχνικές Ιδιότητες
(1) Περιορισμένα σχήματα διατομής: Κυρίως κυκλικά ή οβάλ
(2) Σχετικά χαμηλή ταχύτητα ύφανσης: Συνήθως 50–150 m/min
(3) Ευάλωτο σε επιφανειακά ελαττώματα: Ευαίσθητο σε επιφανειακές οπές και αυλακώσεις
(4) Σχετικά απλούς εξοπλισμοί: Κατάλληλοι για την παραγωγή μέτριας έως χαμηλής απόδοσης ίνες άνθρακα

Ξηρό Εκτόξευση (Ειδική Επιλογή Άνθρακικής Ίνας)

Ορισμός

Η ξηρά εκτόξευση είναι μια άλλη σημαντική μέθοδος για την παρασκευή προδρόμων υλών άνθρακικής ίνας, η οποία χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην παραγωγία ορισμένων ειδικών τύπων άνθρακικής ίνας.
Η ξηρά εκτόξευση περιλαμβάνει την εκτόξευση διαλύματος πολυμερούς μέσω ακροφυσίων, όπου ο διαλύτης εξατμίζεται απευθείας σε ζεστό αέρα για να σχηματιστούν ίνες (π.χ. παραγωγή spandex). Ωστόσο, στη βιομηχανία άνθρακικής ίνας, συχνά χρησιμοποιείται λανθασμένα ως συντομογραφία για "ξηρά εκτοξευμένη, υγρο-τοποθετημένη" (DSWL).

Ροή διαδικασίας
(1) Παρασκευή διαλύματος: Διάλυση πολυμερούς σε πτητικό διαλύτη
(2) Εκτόξευση και Εξάτμιση Διαλύτη: Το διάλυμα εκτοξεύεται μέσω πλάκας ακροφυσίων απευθείας σε έναν θαλάμο εκτόξευσης γεμάτο με ζεστό αέρα
(3) Ανάκτηση Διαλύτη: Ο εξατμισμένος διαλύτης ανακτάται για επαναχρησιμοποίηση
(4) Συλλογή ίνας: Οι πλήρως στερεωμένες ίνες τυλίγονται και συλλαμβάνονται

Τεχνικές Ιδιότητες
(1) Διαφορετικά σχήματα διατομής ινών: Ικανό να παράγει ίνες με ακανόνιστες διατομές
(2) Σύνθετο σύστημα ανάκτησης διαλύτη: Απαιτεί εξοπλισμό ανάκτησης διαλύτη με υψηλή πολυπλοκότητα
(3) Κατάλληλο για συγκεκριμένα πολυμερή: Για παράδειγμα ορισμένα τροποποιημένα PAN ή άλλα πολυμερή πρόδρομα των ινών άνθρακα

Λεπτομερές Συγκριτικός Πίνακας των Τριών Κύριων Τεχνολογιών

Σύγκριση των βασικών τεχνολογικών δρόμων πλευρών μεγάλων επιχειρήσεων

Μέλλοντας Τάσεις Ανάπτυξης

(1) Βελτιστοποίηση της Τεχνολογίας Ξηρού-Ψεκασμού με Υγρό Ελκυσμό: Προώθηση υψηλότερων ταχυτήτων ελκυσμού και πιο σταθερής ποιότητας για περαιτέρω μείωση του κόστους υψηλής απόδοσης ινών άνθρακα.
(2) Αναβάθμιση του Υγρού Ελκυσμού: Βελτίωση της απόδοσης των ινών που παράγονται με υγρό ελκυσμό μέσω βελτιώσεων διαδικασίας, προκειμένου να επεκταθεί εφαρμογή πεδία.
(3) Καινοτομία στην Ολοκλήρωση Διαδικασιών: Ανάπτυξη νέων τεχνικών σύνθετου ελκυσμού με τον συνδυασμό πλεονεκτημάτων διαφορετικών διαδικασιών.
(4) Οικολογική Παραγωγή: Δημιουργία φιλικών προς το περιβάλλον συστημάτων διαλυτών για τη μείωση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου κατά τη διάρκεια της παραγωγής.

Η ελαφριά αλλά ανθεκτική φύση των ανθρακονημάτων προέρχεται από εξαιρετικά βελτιωμένες διεργασίες παραγωγής. Από την παραδοσιακή ωριμότητα της υγράς έλξης, μέχρι τις ειδικευμένες εφαρμογές της ξηράς έλξης και τις υψηλής απόδοσης εξελίξεις της ξηρα-υγράς έλξης — κάθε τεχνική αποτελεί τον κρυσταλλισμό της δημιουργικότητας των επιστημόνων υλικών.

Η κατανόηση αυτών των τεχνολογικών διαφορών δεν εξηγεί μόνο τις ευρείες διαφορές τιμών μεταξύ των ανθρακονημάτων, αλλά αποκαλύπτει επίσης το δύσκολο ταξίδι και τις σπουδαίες επιτυχίες της βιομηχανίας ανθρακονημάτων της Κίνας, καθώς μεταβαίνει από την απόκτηση ρυθμού στη διατήρηση του ρυθμού. Στο δρόμο προς τη μετατροπή σε υπερδύναμη στα υλικά, κάθε τεχνολογική διάσπαση αξίζει την προσοχή μας και τα επευφημία μας.