فرآیند مرطوب بافت خشک‌ساخته در مقابل فرآیند خشک در مقابل فرآیند مرطوب

فیبر کربن به عنوان «پادشاه مواد جدید» شناخته می‌شود و کاربردهای گسترده‌ای در صنایع هوافضا، ساخت خودرو، تجهیزات ورزشی و سایر حوزه‌ها دارد. اما آیا می‌دانستید؟ حتی در میان فیبر کربن نیز فرآیندهای تولید می‌توانند بسیار متفاوت باشند. امروزه ما به‌صورت جامع به تحلیل سه فناوری کلیدی تولید فیبر کربن — روش ترکنش خشک-جریانی، روش خشک و روش مرطوب — می‌پردازیم و بررسی می‌کنیم که چگونه شرکت‌های بزرگ داخلی و بین‌المللی این فناوری‌ها را انتخاب می‌کنند.

ترکنش خشک-مرطوب (انتخاب اصلی برای فیبر کربن با عملکرد بالا)

تعریف

ترکنش خشک-مرطوب، همان‌طور که از نامش پیداست، ترکیبی از ویژگی‌های فرآیندهای «ترکنش خشک» و «ترکنش مرطوب» است. این روش عمدتاً برای تولید پیش‌ماده فیبر کربن مبتنی بر PAN به کار می‌رود.

جریان فرآیند
(1) آماده‌سازی محلول ترکنش: پلی‌آکریلونیتریل (PAN) در حلال خاصی حل شده و محلول ویسکوز ترکنش تشکیل می‌دهد.
(2) مرحله اسپری خشک: محلول ریسندگی از طریق صفحه اسپینرت و ابتدا از یک لایه هوا (معمولاً چند میلی‌متر تا سانتی‌متر) عبور می‌کند.
(3) مرحله ریسندگی مرطوب: دسته الیاف سپس وارد حمام انعقاد می‌شود، جایی که به سرعت سخت شده و شکل می‌گیرد.
(4) پس‌ازپردازش: از طریق مراحلی مانند شست‌وشو، کشش، روغن‌کاری و خشک‌کردن، پیش‌ماده الیاف کربنی در نهایت تشکیل می‌شود.

مزایا فنی
(1) ساختار الیاف یکنواخت‌تر: کشش موجود در لایه هوا، جهت‌گیری زنجیره‌های مولکولی را بهبود می‌دهد
(2) سطح صاف‌تر: عیوب سطحی را کاهش می‌دهد و خواص مکانیکی الیاف کربن نهایی را افزایش می‌دهد
(3) بازدهی بالاتر در تولید: سرعت ریسندگی به 2 تا 3 برابر ریسندگی مرطوب می‌رسد
(4) مناسب برای تولید الیاف با عملکرد بالا: مانند الیاف کربن T700، T800 و درجات بالاتر

ریسندگی مرطوب (روش سنتی و بالغ)

تعریف

ریسندگی مرطوب اولین روش برای تولید صنعتی پیش‌ماده الیاف کربن است. اگرچه از نظر فنی بالغ است، اما محدودیت‌هایی نیز دارد.
یک پلیمر در حلال مناسب حل می‌شود تا محلول غلیظی (حمام ریسندگی) تشکیل شود. این محلول سپس از طریق منافذ ریز یک نازل خارج شده و به‌طور مستقیم در حمام انعقاد که شامل یک غیرحلال است، تزریق می‌شود. درون این حمام، انتشار دوطرفه‌ای بین حلال موجود در جریان ریسندگی و غیرحلال موجود در حمام رخ می‌دهد. این امر باعث رسوب و انعقاد پلیمر شده و الیاف اولیه را تشکیل می‌دهد.

جریان فرآیند
(1) آماده‌سازی محلول ریسندگی: حل شدن PAN در حلال (مثلاً DMF، DMSO)
(2) انعقاد مستقیم: تزریق مستقیم محلول ریسندگی از نازل به حمام انعقاد
(3) انعقاد از طریق جدایش فاز: دستیابی به انعقاد از طریق فرآیند انتشار دوطرفه
(4) پس‌تیمار: شست‌وشو، کشیدن، خشک‌کردن و غیره

ویژگی‌های فنی
(1) اشکال محدود در مقطع عرضی: عمدتاً دایره‌ای یا بیضوی
(2) سرعت ریسندگی نسبتاً پایین: معمولاً 50 تا 150 متر بر دقیقه
(3) مستعد عیوب سطحی: آسیب‌پذیر به منافذ و شیارهای سطحی
(4) تجهیزات نسبتاً ساده: مناسب برای تولید الیاف کربن با عملکرد متوسط تا پایین

پیچش خشک (انتخاب الیاف کربن ویژه)

تعریف

پیچش خشک روش مهمی دیگر برای تهیه پیش‌سازهای الیاف کربن است، به‌ویژه در تولید برخی از الیاف کربن تخصصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پیچش خشک شامل عبور دادن محلول پلیمر از طریق نازل‌ها است که در آنجا حلال به‌طور مستقیم در هوای داغ تبخیر می‌شود و الیاف را تشکیل می‌دهد (مثلاً در تولید اسپاندکس). با این حال، در صنعت الیاف کربن، این اصطلاح اغلب به‌طور اشتباهی به عنوان مخفص «خشک‌پیچیده، مرطبدوز» (DSWL) به‌کار می‌رود.

جریان فرآیند
(1) تهیه محلول: حل کردن پلیمر در حلال فرار
(2) اکستروژن و تبخیر حلال: محلول از طریق صفحه نازل به‌طور مستقیم به تونل پیچش پر از هوای داغ تزریق می‌شود
(3) بازیابی حلال: حلال تبخیر‌شده جمع‌آوری و برای استفاده مجدد ذخیره می‌شود
(4) جمع‌آوری الیاف: الیاف کاملاً جامد شده پیچیده و جمع‌آوری می‌شوند

ویژگی‌های فنی
(1) اشکال مقطعی متنوع از الیاف: قادر به تولید الیاف با مقاطع نامنظم
(2) سیستم بازیابی پیچیده حلال: نیازمند تجهیزات پیشرفته بازیابی حلال
(3) مناسب برای پلیمرهای خاص: مانند برخی پلی‌آکریلونیتریل اصلاح‌شده یا سایر پلیمرهای پیش‌ساز الیاف کربن

جدول مقایسه جامع سه فناوری اصلی

مقایسه نقشه‌های راه فناوری شرکت‌های اصلی

روند توسعه آینده

(1) بهینه‌سازی فناوری اسپری-خشک-رشته‌کشی مرطوب: پیشرفت به سمت سرعت‌های بالاتر رشته‌کشی و کیفیت پایدارتر برای کاهش بیشتر هزینه الیاف کربنی با عملکرد بالا
(2) ارتقای رشته‌کشی مرطوب: بهبود عملکرد الیاف تولید شده با روش مرطوب از طریق بهبود فرآیندها به منظور گسترش کاربرد فیلدها.
(3) نوآوری در یکپارچه‌سازی فرآیند: توسعه تکنیک‌های جدید رشته‌کشی ترکیبی با ترکیب نقاط قوت فرآیندهای مختلف
(4) تولید سبز: ایجاد سیستم‌های حلال سازگار با محیط زیست برای کاهش اثرات زیست‌محیطی در فرآیند تولید

طبیعت سبک‌وزن اما مقاوم کربن فایبر ناشی از فرآیندهای تولید بسیار دقیق و به‌حدت تنظیم‌شده است. از بلوغ سنتی رشوندگی مرطوب تا کاربردهای تخصصی رشوندگی خشک و پیشرفت‌های عملکرد بالا در رشوندگی خشک-مرطوب—هر یک از این تکنیک‌ها تجسم خلاقیت دانشمندان مواد است.

درک این تمایزات فناوری نه تنها توضیح‌دهنده تنوع گسترده قیمت‌های کربن فایبر است، بلکه مسیر دشوار و دستاوردهای شگفت‌انگیز صنعت کربن فایبر چین را روشن می‌کند، همانی که از حالت عقب‌افتادگی به دنبال رسیدن به سطح جهانی حرکت می‌کند. در مسیر تبدیل شدن به یک قدرت موادی، هر شکست فناوریکی شایستای توجه و تحسین ماست.