Dry-Spun Wet-Formed vs Processo a Secco vs Processo a Umido

La fibra di carbonio è considerata il "Re dei Nuovi Materiali", trovando ampie applicazioni nell'aerospaziale, nella produzione automobilistica, negli articoli sportivi e in altri settori. Ma lo sapevi? Anche all'interno della fibra di carbonio, i processi produttivi possono variare notevolmente. Oggi analizzeremo in modo completo le tre tecnologie chiave per la produzione della fibra di carbonio—dry jet-spinning, dry spinning e wet spinning—e vedremo come le principali aziende nazionali e internazionali scelgono queste tecnologie.

Dry-jet-wet-spinning (La scelta predominante per la fibra di carbonio ad alte prestazioni)

Definizione

Il dry-spray wet-spinning, come suggerisce il nome, combina le caratteristiche sia del processo "dry spinning" che di quello "wet spinning". Questa tecnica è principalmente utilizzata per produrre precursori di fibra di carbonio PAN-based ad alte prestazioni.

Flusso di processo
(1) Preparazione della soluzione di filatura: il poliacrilonitrile (PAN) viene disciolto in un solvente specifico per formare una soluzione viscosa da filatura.
(2) Fase di Dry-Spray: La soluzione in fase di filatura viene estrusa attraverso una piastra filiera e passa innanzitutto attraverso uno strato d'aria (tipicamente di alcuni millimetri fino a centimetri).
(3) Fase di Wet-Spinning: Il fascio di fibre entra quindi in un bagno di coagulazione, dove si solidifica rapidamente e si forma.
(4) Post-Elaborazione: Attraverso fasi come lavaggio, stiraggio, oleatura e essiccazione, si forma alla fine il precursore della fibra di carbonio.

Vantaggi tecnici
(1) Struttura della fibra più uniforme: La tensione all'interno dello strato d'aria migliora l'orientamento della catena molecolare
(2) Superficie più liscia: Riduce i difetti superficiali, migliorando le proprietà meccaniche della fibra di carbonio finale
(3) Maggiore efficienza produttiva: La velocità di filatura raggiunge 2-3 volte quella della filatura umida
(4) Adatto alla produzione di fibre ad alte prestazioni: Ad esempio T700, T800 e fibre di carbonio di grado superiore

Wet Spinning (Filatura Umetta, Metodo Tradizionale Maturo)

Definizione

La filatura umida è il metodo più antico per la produzione industriale dei precursori della fibra di carbonio. Sebbene tecnicamente maturo, presenta alcune limitazioni.
Un polimero viene disciolto in un solvente adatto per formare una soluzione concentrata (bagno di filatura). Questa soluzione viene quindi estrusa attraverso i micropori di una filiera e direttamente iniettata in un bagno di solidificazione contenente un non-solvente. All'interno del bagno si verifica una diffusione bidirezionale tra il solvente presente nel flusso di filatura e il non-solvente presente nel bagno. Ciò provoca la precipitazione e la solidificazione del polimero, formando fibre primarie.

Flusso di processo
(1) Preparazione della Soluzione di Filatura: PAN disciolto in un solvente (ad esempio, DMF, DMSO)
(2) Solidificazione Diretta: La soluzione di filatura viene estrusa dalla filiera direttamente in un bagno di solidificazione
(3) Solidificazione per Separazione di Fase: La solidificazione viene raggiunta tramite un processo di diffusione bidirezionale
(4) Trattamento Successivo: Lavaggio, stiramento, essiccazione, ecc.

Caratteristiche tecniche
(1) Forme della sezione trasversale limitate: principalmente circolari o ovali
(2) Velocità di filatura relativamente bassa: tipicamente 50–150 m/min
(3) Soggetta a difetti superficiali: suscettibile a pori e scanalature superficiali
(4) Attrezzatura relativamente semplice: adatta per la produzione di fibre di carbonio a prestazioni medio-basse

Filatura a secco (Selezione speciale di fibre di carbonio)

Definizione

La filatura a secco è un altro metodo significativo per la preparazione dei precursori delle fibre di carbonio, utilizzato in particolare nella produzione di alcune fibre di carbonio speciali.
La filatura a secco prevede l'estrusione di una soluzione polimerica attraverso delle filiere, dove il solvente evapora direttamente nell'aria calda formando le fibre (ad esempio, nella produzione di spandex). Tuttavia, all'interno dell'industria delle fibre di carbonio, viene spesso usata erroneamente come abbreviazione di "dry-spun wet-laid" (DSWL).

Flusso di processo
(1) Preparazione della soluzione: sciogliere il polimero in un solvente volatile
(2) Estrusione ed evaporazione del solvente: la soluzione viene estrusa attraverso una piastra filiera direttamente in un tunnel di filatura pieno di aria calda
(3) Recupero del solvente: il solvente evaporato viene recuperato per essere riutilizzato
(4) Raccolta della fibra: le fibre completamente solidificate vengono avvolte e raccolte

Caratteristiche tecniche
diverse forme della sezione trasversale delle fibre: in grado di produrre fibre con sezioni trasversali irregolari
sistema complesso di recupero del solvente: richiede attrezzature sofisticate per il recupero del solvente
adatto per polimeri specifici: come certe versioni modificate del PAN o altri polimeri precursori delle fibre di carbonio

Tabella completa di confronto delle tre principali tecnologie

Confronto delle principali roadmap tecnologiche aziendali

Tendenze future di sviluppo

(1) Ottimizzazione della tecnologia Dry-Spray Wet-Spinning: avanzamento verso velocità di filatura più elevate e una qualità più stabile per ridurre ulteriormente il costo delle fibre di carbonio ad alte prestazioni.
(2) Miglioramento della filatura umida: potenziamento delle prestazioni delle fibre prodotte con filatura umida attraverso miglioramenti del processo per espandere applicazione campi.
(3) Innovazione nell'integrazione dei processi: sviluppare nuove tecniche di filatura composita combinando i punti di forza di diversi processi.
(4) Produzione sostenibile: creare sistemi di solventi ecocompatibili per ridurre l'impatto ambientale durante la produzione.

La natura leggera ma resistente della fibra di carbonio deriva da processi produttivi meticolosamente perfezionati. Dalla maturità tradizionale della filatura umida alle applicazioni specializzate della filatura a secco, fino ai progressi ad alte prestazioni della filatura dry-wet — ogni tecnica rappresenta la cristallizzazione dell'ingegno degli scienziati dei materiali.

Comprendere queste distinzioni tecnologiche non solo spiega le ampie variazioni di prezzo tra le fibre di carbonio, ma rivela anche il difficile percorso e i notevoli traguardi compiuti dall'industria cinese delle fibre di carbonio nel passaggio dal tentativo di recupero alla capacità di mantenere il passo. Nel cammino verso la leadership nei materiali, ogni progresso tecnologico merita la nostra attenzione e il nostro applauso.