Повишаване на производителността при производството на въглеродни влакна

Въпреки изключителния си лек конструктивен потенциал, въглеродните влакна рядко се използват в масови приложения в наши дни. Основната причина за това е високата цена от 15-25 евро/кг, която се дължи на енергоемкия и по този начин разходен производствен процес [1]. Основен двигател на разходите е процесът на стабилизация с дълго време на престой при високи температури.

Промени в цвета на изходните влакна по време на производството на въглеродни влакна: Намаляването на времената на цикъла допринася значително за спестяване на разходи и по този начин за подобрена икономическа ефективност на CFRP (подсилена с въглеродни влакна пластмаса) компоненти. Изображение: ITA, RWTH Аахен

Времето на престой е между 60 и 100 минути при температури до 280 ° C [2; 3]. Едно решение за съкращаване на времето е разработването на технологични профили, които са адаптирани към химичните свойства на изходния материал. В Института за текстилни технологии (ITA) към университета RWTH Аахен е постигнато време за стабилизиране от 22 минути на непрекъснати пилотни инсталации. Механичните свойства на въглеродните влакна са сравними с индустриалните стандартни модулни въглеродни влакна (якост на опън: 4100 MPa, E-модул: 220 GPa).

Значение на CFRP за леката конструкция

Намаляването на емисиите на CO2 чрез олекотена конструкция е централно направление за развитие днес. Следователно, армираните с въглеродни влакна пластмаси (CFRP) все повече се използват като заместител на класическите метали. В сравнение с класическите метали като алуминий, CFRP предлагат съотношение на якост към тегло, което е 10 пъти по-високо, което ги прави идеални за леки строителни приложения.

В сравнение с високоякостните стомани, които често се използват в автомобилния сектор, съотношението цена-якост на CFRP също е 10 пъти по-високо. Досега CFRP са били използвани в нишови приложения с фокус върху намаляването на теглото. Един от основните двигатели на разходите е високата цена на въглеродните влакна, която се дължи на енергийния и отнемащ време производствен процес [2].

Фигура 1 показва историческото и прогнозното глобално търсене на въглеродни влакна от 2008 до 2020 г. [4].

Фигура 1. Прогноза за растеж на глобалното търсене на въглеродни влакна (* оценки), съгласно [4]. Изображение: ITA, RWTH Аахен

Възможности за намаляване на разходите

В момента едно от най-евтините въглеродни влакна се продава от компанията Zoltek (Bridgeton/USA) на цена от 14 евро/кг [6]. Ниската цена обаче се постига чрез използването на големи обеми "Тежки тегличи" (50k) с ниски механични свойства и ниско качество на влакната.

При производството на въглеродни влакна термичната стабилизация с бавни времена на процес до 100 минути при температури до 280 ° C е ограничаващ фактор [3]. Основната причина за дългите времена на процеса са екзотермичните реакции, задвижвани от дифузия, които протичат в напречното сечение на влакното [2]. Както е показано на фигура 2, стабилизацията представлява почти 50% от енергийните разходи за термично преобразуване [7].

Фигура 2. Разбивка на потреблението на енергия по време на производството на въглеродни влакна [5]. Изображение: ITA, RWTH Аахен

явно неблагоприятно съотношение цена-качество на CFRP в сравнение с високоякостни стомани или алуминий, както и пластмаси, подсилени със стъклени влакна,
без масово използване на въглеродни влакна - очевиден лек потенциал за изграждане,
Двигател на разходите е термичната стабилизация поради дългите времена на процеса.

Основна цел на изследванията на въглеродните влакна в ITA е да се намали времето за процес на стабилизиране, за да се намали цената на въглеродните влакна. Когато се прилага в индустриален мащаб, съотношението цена-качество на CFRP се подобрява в сравнение с други армировъчни материали и по този начин е възможно масово използване на въглеродни влакна за леки строителни приложения.

Състояние на техниката в производството на въглеродни влакна

В индустриалния стандарт въглеродните влакна се произвеждат от полимерния полиакрилонитрил (PAN). PAN първо се преде в "прекурсори", използвайки процес на предене на разтворител. Хиляди отделни нишки се комбинират, за да образуват сноп влакна. Това е последвано от термичното преобразуване (стабилизиране и карбонизиране) на предшествениците на PAN във въглеродни влакна.

По време на стабилизацията прекурсорите на PAN се правят негорими и нетопими чрез преструктуриране на молекулните вериги, за да образуват пиридинова пръстенна структура. Това подготвя предшествениците за последващата карбонизация. По време на карбонизацията съдържанието на въглерод постепенно се увеличава до повече от 90%. Образува се характерната шестоъгълна пръстенна структура на въглеродните атоми, което води до високите механични свойства на въглеродните влакна.

И накрая, въглеродните влакна се подлагат на последваща обработка с оразмеряване. Оразмеряването максимизира адхезията и съответно предаването на мощност между матричната пластмаса и въглеродните влакна. Той предпазва влакната от износване при производството на текстилни повърхности. По отношение на технологията на процеса, преденето на разтворител е отделено от термичното преобразуване поради значително различни производствени скорости. Стабилизацията, карбонизацията и последващата обработка се извършват в пряка последователност. Фигура 3 показва схематично различните производствени стъпки [1–3].

Фигура 3. Схематично представяне на технологичната верига за производство на въглеродни влакна. Изображение: ITA, RWTH Аахен

В голям мащаб досега стабилизацията е представена от четири до дванадесет фурни, всяка от които има изотермичен температурен профил. Температурата се повишава от първата до последната пещ с постоянни скокове, като времето на престой в пещта се поддържа постоянно.

Основен аспект на безопасността на стабилизацията е образуването на токсичен циановодород, който трябва да бъде изхвърлен и изгорен с изпускателна система. Освен това, стабилизационните реакции са много екзотермични. За да се осигури висока стабилност и надеждност на процеса, екзотермичната реакционна енергия трябва да се контролира и разсейва. Минимално възможното време за стабилизиране се определя от степента на стабилизация на влакната, необходими за процеса, и експлоатационната надеждност на системата [1; 2].

В допълнение към различни параметри на системата, следните три параметъра на процеса са от съществено значение за процеса на стабилизиране:

температура,
Време на престой,
Разтягане.

В индустриалното състояние на техниката времето на престой при различните температурни нива (различни фурни) е идентично. Понастоящем се реализира индустриално общо време за стабилизиране от около 60 мин. До 100 мин. В зависимост от съответния производител и съществуващото ноу-хау.

Цел и подход за намаляване на разходите

Целта на изследователската работа е да се намали времето на процеса, необходимо за стабилизиране. По този начин трябва да се цели намаляване на разходите при производството на CFRP. Предполага се, че свойствата на механичните влакна са намалени поради намаляването на времето за престой. За да се постигне индустриално приложение на резултатите, от съществено значение е да се постигне определено качество на влакната.

Целта на механичните свойства е влакно от типа "T300" от японския производител Toray Industries, Inc. с якост на опън 3,5 GPa с E-модул 230 GPa и удължение при скъсване 1,5%. Това влакно е едно от най-евтините въглеродни влакна, предлагани на пазара с приемливи свойства. Той се използва широко във вторични структурни компоненти в самолетите, в автомобилния сектор и в сектора на спорта и развлеченията.

При избрания подход времето на престой в различните температурни нива се задава отделно едно от друго. По-конкретно, параметрите на процеса температура, време на престой и разтягане са адаптирани към хода на реакцията и химичните и термични свойства на прекурсора в различните температурни зони. Тъй като свойствата на различните прекурсори са много различни, в ITA е разработен методичен подход, въз основа на който могат да бъдат разработени параметрите на процеса за съществуващ прекурсор.

Увеличаването на производствената скорост на стабилизацията е придружено от по-висока производствена скорост на карбонизацията. По този начин времето на престой на карбонизацията също се намалява с избрания подход. Следователно процедурата отчита и разработването на технологични параметри за последваща карбонизация, които зависят от съответния процес на управление на стабилизацията.

Резултати

В резултат на това беше постигнато време за стабилизиране от 22 минути със стабилност и надеждност на процеса. За това е използван промишлен предшественик от Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. С време за стабилизиране от само 15 минути също беше възможно да се постигне степен на стабилизация, с която е възможно карбонизирането и по този начин производството на въглеродни влакна. Въпреки това, при толкова кратко време на престой, за кратко време се образуват големи количества токсични газове, така че не може да се осигури достатъчна надеждност на процеса.

С време на задържане от 22 минути, постигнатата якост на опън е 4,1 GPa с модул E от 220 GPa и удължение при скъсване от 1,8%. Поради това постигнатите механични свойства са на и над нивото на обичайните индустриални въглеродни влакна (например Toray T300, Toho Tenax HTS 40). Основното предимство на разработения подход е използването на съществуваща конвенционална растителна технология, която позволява методът да бъде прехвърлен в производствени линии без допълнителни инвестиционни разходи.

В зависимост от предишния производствен процес може да се постигне намаляване на производствените разходи с 3 евро/кг CF. Тук са възможни два различни варианта: От една страна, въвеждането в експлоатация на нова производствена линия с по-малки фурни - и по този начин намалени инвестиционни разходи. Второ, ускоряването на производствената скорост на съществуващите производствени линии.

Заключение и перспективи

Постигнатите резултати са обобщени на Фигура 4.

Фигура 4. Резултати, получени със време за стабилизиране от 22 минути. Изображение: ITA, RWTH Аахен

С разработената процедура може да се постигне увеличение на производителността с повече от 300% с обичайното на пазара качество на влакната. Досегашните резултати са постигнати в размер на завода в пилотен мащаб. Следващата стъпка е прехвърлянето на резултати или прехвърлянето на методи към завод в пилотен мащаб, за да се потвърди промишлената осъществимост.