Зголемување на продуктивноста во производството на јаглеродни влакна

И покрај нивниот извонреден лесен потенцијал за градба, јаглеродните влакна ретко се користат во масовни апликации овие денови. Главната причина за ова е високата цена од 15-25 евра/кг, што се должи на енергетскиот и со тоа наплатливиот процес на производство [1]. Главен двигател на трошоците е процесот на стабилизација со долго време на престој на високи температури.

Промени во бојата на излезните влакна за време на производството на јаглеродни влакна: Намалувањето на времето на циклусот придонесува значително за заштеда на трошоците, а со тоа и за подобра економска ефикасност на компонентите CFRP (армирано пластично јаглеродно влакно). Слика: ITA, RWTH Ахен

Времето на престој е помеѓу 60 и 100 мин на температура до 280 ° C [2; 3]. Едно решение за скратување на времето е развој на процесни профили кои се прилагодени на хемиските својства на почетниот материјал. На Институтот за текстилна технологија (ИТА) на Универзитетот Ахен во РВТХ, постигнато е време на стабилизација од 22 минути на постојаните пилот-постројки. Механичките својства на јаглеродните влакна се споредливи со јаглеродните влакна на индустрискиот стандарден модул (јачина на истегнување: 4100 MPa, Е-модул: 220 GPa).

Важноста на CFRP за лесна конструкција

Намалувањето на емисиите на СО2 со лесна конструкција е централна насока за развој денес. Затоа, армирано-пластичните јаглеродни влакна (CFRP) сè повеќе се користат како замена за класичните метали. Во споредба со класичните метали како што се алуминиумот, CFRP нудат сооднос сила и тежина што е 10 пати поголем, што ги прави идеални за лесни градежни апликации.

Во споредба со челици со висока јачина, кои често се користат во автомобилскиот сектор, односот цена-јачина на CFRP е исто така 10 пати поголем. CFRP досега се користеа во апликации за лажат со фокус на намалување на телесната тежина. Еден од главните двигатели на трошоците е високата цена на јаглеродни влакна, што се должи на енергијата и процесот на производство што одзема многу време [2].

Слика 1 ги прикажува историските и предвидуваните глобални побарувачки на јаглеродни влакна од 2008 до 2020 година [4].

Слика 1. Прогноза за растот на глобалната побарувачка на јаглеродни влакна (* проценки), според [4]. Слика: ITA, RWTH Ахен

Можности за намалување на трошоците

Една од најевтините јаглеродни влакна во моментов ја продава Золтек (Бриџтон/САД) по цена од 14 евра/кг [6]. Ниската цена, сепак, се постигнува со употреба на „Тешки влечки“ со голем волумен (50k) со ниски механички својства и низок квалитет на влакна.

Во производството на јаглеродни влакна, термичката стабилизација со бавно време на процес до 100 минути на температура до 280 ° C е ограничена [3]. Главната причина за долгите временски процеси се егзотермични реакции управувани со дифузија кои се одвиваат преку пресекот на влакната [2]. Како што е прикажано на слика 2, стабилизацијата претставува скоро 50% од трошоците за енергија за термичка конверзија [7].

Слика 2. Распределба на потрошувачката на енергија при производство на јаглеродни влакна [5]. Слика: ITA, RWTH Ахен

јасно неповолен сооднос на цената и перформансите на CFRP во споредба со високо-цврсти челици или алуминиум, како и армирани пластики со стаклени влакна,
нема масовна употреба на јаглеродни влакна - очигледен лесен потенцијал за градба,
Придвижувачот на трошоците е термичка стабилизација заради долгите временски процеси.

Централна цел на истражувањето на јаглеродни влакна на ИТА е да се намали времето на процесот на стабилизација со цел да се намали цената на јаглеродните влакна. Кога се спроведува во индустриска скала, односот цена-перформанси на CFRP е подобрен во споредба со другите материјали за зајакнување и со тоа е можна масовна употреба на јаглеродни влакна за лесни градежни апликации.

Најсовремена состојба во производството на јаглеродни влакна

Во индустрискиот стандард, јаглеродните влакна се направени од полимер полиакрилонитрил (PAN). PAN најпрво се врти во „прекурзори“ користејќи процес на предење на растворувач. Илјадници индивидуални нишки се комбинираат за да формираат пакет влакна. Потоа следува термичка конверзија (стабилизација и карбонизација) на PAN претходниците во јаглеродни влакна.

За време на стабилизацијата, претходниците на PAN се прават несогорливи и инфузивни со реструктуирање на молекуларните ланци за да се формира структура на прстен од пиридин. Ова ги подготвува претходниците за последователната карбонизација. За време на карбонизацијата, содржината на јаглерод постепено се зголемува на повеќе од 90%. Се формира карактеристичната шестоаголна структура на прстенот на јаглеродните атоми, што доведува до високи механички својства на јаглеродните влакна.

Конечно, јаглеродните влакна се подложени на после третман со апликација за димензионирање. Димензионирањето ја максимизира адхезијата и соодветно на тоа преносот на електричната енергија помеѓу матричната пластика и јаглеродните влакна. Ги штити влакната од абразија при производство на текстилни површини. Во однос на технолошката обработка, предењето на растворувачот е одвоено од термичката конверзија поради значително различните брзини на производство. Стабилизацијата, карбонизацијата и пост-третманот се одвиваат директно сукцесивно. Слика 3 ги прикажува различните чекори на производство шематски [1-3].

Слика 3. Шематски приказ на синџирот на процеси за производство на јаглеродни влакна. Слика: ITA, RWTH Ахен

Во голем обем, стабилизацијата досега беше претставена од четири до дванаесет печки, од кои секоја има изотермален профилен температурен режим. Температурата се зголемува од првата до последната печка со постојани скокови, при што времето на живеење во печката се одржува постојано.

Централен безбедносен аспект на стабилизацијата е формирање токсичен водород цијанид, кој треба да се испушти и да се изгори со издувен систем. Понатаму, реакциите за стабилизација се многу егзотермични. Со цел да се обезбеди висока стабилност и сигурност на процесот, енергијата на егзотермичката реакција мора да се контролира и дисипира. Минималното можно време на стабилизација се одредува според степенот на стабилизација на влакната потребни за процесот и оперативната сигурност на системот [1; 2].

Покрај различните параметри на системот, следниве три процесни параметри се значајни за процесот на контрола на стабилизацијата:

температура,
Wellивеете време,
Истегнување.

Во индустриската состојба на уметноста, времето на живеење во различни нивоа на температура (различни печки) е идентично. Вкупно време на стабилизација од приближно 60 мин. До 100 мин. Во моментов се реализира индустриски, во зависност од соодветниот производител и постоечкото знаење.

Цел и пристап кон намалување на трошоците

Целта на истражувачката работа е да се намали времето потребно на процесот за стабилизација. Така, треба да се насочи кон намалување на трошоците во производството на CFRP. Се претпоставува дека својствата на механичкото влакно се намалуваат како резултат на намалувањето на времето на престој. За да се постигне индустриска примена на резултатите, од суштинско значење е да се постигне одреден квалитет на влакната.

Целта на механичките својства е влакно од типот "T300" од јапонскиот производител Toray Industries, Inc. со јачина на истегнување од 3,5 GPa со Е-модул од 230 GPa и издолжување при пауза од 1,5%. Ова влакно е едно од најевтините јаглеродни влакна достапни на пазарот со прифатливи својства. Широко се користи во секундарните структурни компоненти во авионите, во автомобилскиот сектор и во секторот за спорт и рекреација.

Во избраниот пристап, времето на престој во различните нивоа на температура е поставено одделно едни од други. Поточно, температурните параметри на процесот, времето на престој и истегнувањето се прилагодени на текот на реакцијата и на хемиските и термичките својства на претходникот во различните температурни зони. Бидејќи својствата на различните претходници се многу различни, во ИТА беше развиен методски пристап, врз основа на кој може да се развијат параметрите на процесот за постоечки претходник.

Зголемувањето на брзината на производство на стабилизацијата е придружено со поголема брзина на производство на карбонизацијата. Времето на траење на карбонизацијата, исто така, се намалува со избраниот пристап. Постапката, исто така, го зема предвид развојот на процесните параметри за последователната карбонизација, кои зависат од соодветната контрола на процесот на стабилизацијата.

Резултати

Резултатот беше време на стабилизација од 22 минути со стабилност и сигурност на процесот. За ова беше искористен индустриски претходник од Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. Со време на стабилизација од само 15 минути, исто така беше можно да се постигне степен на стабилизација со кој е можна карбонизација, а со тоа и производство на јаглеродни влакна. Сепак, со толку кратко време на престој, се развиваат големи количини на токсични гасови за кратко време, така што не може да се обезбеди доволна сигурност на процесот.

Со време на мирување од 22 минути, постигнатата цврстина на истегнување е 4,1 GPa со еластичен модул од 220 GPa и издолжување при пауза од 1,8%. Затоа, постигнатите механички својства се на и над нивото на вообичаените индустриски јаглеродни влакна (на пр. Toray T300, Toho Tenax HTS 40). Главната предност на развиениот пристап е употребата на постоечка, конвенционална технологија на постројки, што овозможува методот да се пренесе на индустриските производни линии без дополнителни инвестициски трошоци.

Во зависност од претходниот процес на производство, може да се постигне намалување на трошоците за производство од 3 евра/кг CF. Тука може да се замислат две различни варијанти: Од една страна, пуштање во употреба на нова производствена линија со помали печки - а со тоа и намалени инвестициски трошоци. Од друга страна, забрзувањето на брзината на производство на постојните производни линии.

Заклучок и изгледи

Постигнатите резултати се сумирани на слика 4.

Слика 4. Резултати добиени со време на стабилизација од 22 минути. Слика: ITA, RWTH Ахен

Со развиената постапка, може да се реализира зголемување на продуктивноста за повеќе од 300% со квалитетот на влакната вообичаено на пазарот. Досегашните резултати се постигнати на скала на пилот растенија. Следниот чекор е трансфер на резултати или трансфер на методи во големина на растение од пилот скала со цел да се потврди индустриската изводливост.