碳纤维具有优异的力学、化学、电学等性能,是国民经济与国防建设不可缺少的战略新型材料,被誉为“黑色黄金”。进入21世纪,碳纤维生产工艺技术已经成熟,未来随着碳纤维复合材料成型技术的不断发展,下游应用领域的不断开拓,尤其是航空、汽车、风电叶片的强劲增长以及其带动作用,碳纤维产业发展前景广阔。
碳纤维产业链
碳纤维产业链大致可以分为生产碳纤维材料的上游和生产碳纤维应用部件产品的下游,介于上下游之间的企业可以认为是碳纤维生产工艺中的设备提供商。
按我们的分类,碳纤维产业链上游包括从原丝到碳纤维的过程,即原丝经过氧化炉、碳化炉、石墨化炉、表面处理、上浆等工艺,将以聚丙烯腈结构为主的原丝经过碳化等工艺变为以石墨纤维结构为主的碳纤维。
碳纤维产业链上游为石油化工行业,主要通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈;碳纤维企业通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈,再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝,对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维,通过对碳纤维和高质量树脂的加工以获得碳纤维复合材料以满足应用需求。
碳纤维的生产流程主要包括:拉丝、牵伸、稳定、碳化、石墨化。
拉丝:这是碳纤维生产过程中的第—个步骤,这个过程是物理变化,主要是将原材料分离成纤过程,在这个过程中,纺丝液细流与凝固液之间的传质、传热、相平衡移动。导致PAN沉析形成凝胶结构的丝条。
牵伸:—般是在100-300度的温度下进行,根据结定向纤维的拉伸效应来实现的,这个过程也是实现PAN纤维的高模量、高强化、致密化和细化的关键步骤。
稳定:也就是常说的预软化。通过400℃加热氧化的方法使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构,使其在高温下不熔不燃、保持纤维形态,热力学处于稳定状态。
碳化:在1000-2000度范围内进行,将PAN中非碳元素驱除,较后生成含碳量90%以上具有乱层石墨结构的碳纤维。
石墨化:在2000-3000度的范围内进行,将无定型、乱层结构的碳化材料向三维石墨化结构转化,是提高碳纤维模量的主要技术措施。
由上道原丝生产工艺产出的PAN原丝,经过送丝架湿热预牵伸后,由牵伸机构依次送入预氧化炉,经过数台预氧化炉群的不同梯度温度场后制得预氧化纤维(预氧丝);预氧丝相继进入中温碳化炉和高温碳化炉后制得碳纤维;碳纤维再经过较终的表面处理、上浆、干燥等工艺得到碳纤维成品。全过程连续走丝,准确控制,任何—道工序出现些许问题都会影响稳定生产和较终碳纤维产品的质量。碳纤维生产工艺流程长,技术关键点多,生产壁垒高,是多学科、多技术的集成。
盐城市翔盛碳纤维科技有限公司致力于研究碳纤维、小型飞行器制品(飞机油箱,航空头盔,飞机尾翼,水上飞机浮筒)高模量 PE等特种纤维的多样性及功能性,现已自主开发出塑料增强用碳纤维、碳纤维粉、制动系统用短切碳纤维、短切腈纶纤维、以及碳纤维绳、碳纤维布、碳纤维电热线、碳纤维理疗坐垫、碳纤维空气净化器、碳纤维短丝、碳纤维长丝特种纤维切割机等15个系列产品。