21세기 신소재의 왕으로 불리는 탄소섬유는 소재계의 빛나는 진주다.탄소섬유(CF)는 탄소 함유량이 90% 이상인 무기섬유의 일종이다.유기섬유(비스코스계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계 섬유 등)를 고온에서 열분해, 탄화시켜 탄소백본을 형성합니다.
차세대 강화섬유인 탄소섬유는 우수한 기계적, 화학적 특성을 가지고 있습니다.탄소 소재 고유의 특성을 가질 뿐만 아니라 섬유 섬유의 부드러움과 가공성을 갖추고 있습니다.따라서 항공 우주, 에너지 장비, 운송, 스포츠 및 레저 분야에서 널리 사용됩니다.
경량성 : 우수한 성능을 지닌 전략적 신소재로서 탄소섬유의 밀도는 마그네슘, 베릴륨과 거의 동일하며 강철의 1/4 미만입니다.탄소섬유 복합재를 구조재로 사용하면 구조적 무게를 30~40% 줄일 수 있습니다.
고강도 및 고탄성: 탄소 섬유의 비강도는 강철의 비강도보다 5배, 알루미늄 합금의 비강도보다 4배 더 높습니다.특정 모듈러스는 다른 구조 재료의 1.3-12.3 배입니다.
작은 팽창 계수: 대부분의 탄소 섬유의 열팽창 계수는 실온에서 음수, 200-400 ℃에서는 0, 1000 ℃ × 10-6 / K 미만에서는 1.5에 불과하며 높은 작업으로 인해 팽창 및 변형이 쉽지 않습니다. 온도.
우수한 화학적 내식성: 탄소 섬유는 순수 탄소 함량이 높고 탄소는 가장 안정적인 화학 원소 중 하나이므로 산 및 알칼리 환경에서 매우 안정적인 성능을 발휘하므로 모든 종류의 화학적 부식 방지 제품을 만들 수 있습니다.
강한 피로 저항: 탄소 섬유의 구조는 안정적입니다.폴리머 네트워크의 통계에 따르면 수백만 사이클의 응력 피로 테스트 후에도 복합재의 강도 유지율은 여전히 60%인 반면 강철은 40%, 알루미늄은 30%, 유리 섬유 강화 플라스틱은 20%에 불과합니다. % – 25%.
탄소섬유 복합재는 탄소섬유를 다시 강화한 것입니다.탄소섬유는 단독으로 사용해 특정 기능을 수행할 수 있지만 결국 부서지기 쉬운 소재이다.탄소 섬유 복합재를 형성하기 위해 매트릭스 재료와 결합될 때만 기계적 특성을 더 잘 활용하고 더 많은 하중을 견딜 수 있습니다.
탄소섬유는 전구체 종류, 제조방법, 성능 등 다양한 차원에 따라 분류될 수 있습니다.
전구체 유형에 따라: 폴리아크릴로니트릴(Pan) 기반, 피치 기반(등방성, 중간상);비스코스 베이스(셀룰로오스 베이스, 레이온 베이스).그 중 폴리아크릴로니트릴(Pan)계 탄소섬유가 주류를 이루고 있으며 그 생산량은 전체 탄소섬유의 90% 이상을 차지하는 반면 비스코스계 탄소섬유는 1% 미만을 차지하고 있다.
제조 조건 및 방법에 따라: 탄소 섬유(800-1600℃), 흑연 섬유(2000-3000℃), 활성 탄소 섬유, 기상 성장 탄소 섬유.
기계적 특성에 따라 일반형과 고성능형으로 나눌 수 있습니다. 일반형 탄소섬유의 강도는 약 1000MPa이고 모듈러스는 약 100GPa입니다.고성능형은 고강도형(강도 2000mPa, 모듈러스 250gpa)과 고강성형(모듈러스 300gpa 이상)으로 나눌 수 있으며, 그 중 4000mpa 이상의 강도를 초고강도형이라고도 하며, 모듈러스 450gpa 이상은 울트라하이 모델이라고 합니다.
토우의 크기에 따라 소형 토우와 대형 토우로 나눌 수 있습니다. 소형 토우 탄소 섬유는 초기 단계에서는 주로 1K, 3K, 6K이며 점차 12K, 24K로 발전하여 주로 항공 우주, 스포츠에 사용됩니다. 및 레저 분야.48K 이상의 탄소섬유는 일반적으로 48K, 60K, 80K 등을 포함하여 대형 토우 탄소섬유라고 불리며 주로 산업 분야에서 사용됩니다.
인장 강도와 인장 계수는 탄소 섬유의 특성을 평가하는 두 가지 주요 지표입니다.이를 바탕으로 중국은 2011년 PAN계 탄소섬유에 대한 국가표준(GB/t26752-2011)을 공포했다. 동시에 도레이가 세계 탄소섬유 산업에서 절대적 우위를 점하고 있기 때문에 대부분의 국내 제조업체도 도레이의 분류표준을 채택하고 있다. 참고로.
1.2 높은 장벽은 높은 부가가치를 가져옵니다.공정 개선 및 대량 생산 실현으로 비용 절감 및 효율성 증대 가능
1.2.1 산업의 기술 장벽이 높고 전구체 생산이 핵심이며 탄화 및 산화가 핵심입니다.
탄소섬유의 생산공정은 복잡하고 높은 장비와 기술이 요구된다.각 링크의 정밀도, 온도 및 시간 제어는 최종 제품의 품질에 큰 영향을 미칩니다.폴리아크릴로니트릴 탄소섬유는 상대적으로 간단한 제조 공정, 낮은 생산 비용 및 세 가지 폐기물 처리의 편리한 처리로 인해 현재 가장 널리 사용되고 가장 높은 생산량의 탄소 섬유가 되었습니다.주요 원료 프로판은 원유로 만들 수 있으며 PAN 탄소 섬유 산업 체인에는 1차 에너지부터 최종 적용까지 완전한 제조 공정이 포함됩니다.
원유로부터 프로판을 제조한 후 프로판의 선택적 촉매 탈수소화(PDH)를 통해 프로필렌을 얻었습니다.
아크릴로니트릴은 프로필렌을 암모산화하여 얻어졌습니다.폴리아크릴로니트릴(Pan) 전구체는 아크릴로니트릴의 중합 및 방사에 의해 얻어졌습니다.
폴리아크릴로니트릴은 사전 산화되고 저온 및 고온에서 탄화되어 탄소 섬유를 얻습니다. 이는 탄소 섬유 복합재 생산을 위한 탄소 섬유 직물 및 탄소 섬유 프리프레그로 만들 수 있습니다.
탄소섬유는 수지, 세라믹, 기타 재료와 결합되어 탄소섬유 복합재를 형성합니다.마지막으로, 다운스트림 적용을 위한 최종 제품은 다양한 성형 공정을 통해 얻어집니다.
전구체의 품질과 성능 수준은 탄소섬유의 최종 성능을 직접적으로 결정합니다.따라서 방사용액의 품질을 향상시키고 전구체 형성요소를 최적화하는 것이 고품질 탄소섬유를 제조하는 핵심 포인트가 된다.
“폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유 전구체 생산공정 연구”에 따르면 방사공정은 주로 습식방사, 건식방사, 건식습식방사의 3가지로 분류된다.현재 국내외에서 폴리아크릴로니트릴 전구체를 생산하기 위해서는 습식방사와 건식습식방사가 주로 사용되고 있으며 그 중 습식방사가 가장 널리 사용되고 있다.
습식 방사는 먼저 방사구금 구멍에서 방사용액을 압출하고, 방사용액은 작은 흐름의 형태로 응고조로 유입됩니다.폴리아크릴로니트릴 방사용액의 방사 메커니즘은 방사용액과 응고욕의 DMSO 농도 사이에 큰 차이가 있고, 응고욕과 폴리아크릴로니트릴 용액의 물 농도 사이에도 큰 차이가 있다는 것입니다.위의 두 가지 농도 차이의 상호 작용으로 액체는 두 방향으로 확산되기 시작하고 최종적으로 물질 전달, 열 전달, 상 평형 이동 및 기타 과정을 통해 필라멘트로 응축됩니다.
전구체 생산에 있어서 DMSO의 잔존량, 섬유크기, 모노필라멘트 강도, 모듈러스, 신도, 오일 함량, 끓는 물 수축률 등이 전구체 품질에 영향을 미치는 핵심 요소가 됩니다.DMSO의 잔류량을 예로 들면 전구체의 겉보기 특성, 단면 상태 및 최종 탄소섬유 제품의 CV 값에 영향을 미칩니다.DMSO 잔량이 적을수록 제품의 성능은 높아집니다.생산 과정에서 DMSO는 주로 세척을 통해 제거되므로 세척 온도, 시간, 탈염수의 양, 세척 주기의 양을 어떻게 조절하는가가 중요한 연결고리가 됩니다.
고품질 폴리아크릴로니트릴 전구체는 고밀도, 높은 결정성, 적절한 강도, 원형 단면, 물리적 결함이 적고 표면이 매끄럽고 균일하고 조밀한 스킨 코어 구조와 같은 특성을 가져야 합니다.
탄화 및 산화의 온도 조절이 핵심입니다.탄화 및 산화는 전구체로부터 탄소섬유 최종 제품을 생산하는 데 필수적인 단계입니다.이 단계에서는 정확도와 온도 범위를 정확하게 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 탄소 섬유 제품의 인장 강도가 크게 영향을 받고 와이어가 파손될 수도 있습니다.
사전 산화(200-300 ℃): 사전 산화 공정에서 PAN 전구체는 산화 분위기에서 일정한 장력을 가하여 천천히 온화하게 산화되어 팬 직선 사슬을 기반으로 많은 수의 고리 구조를 형성합니다. 더 높은 온도 처리를 견디는 목적을 달성하십시오.
탄화(최대 온도 1000℃ 이상): 탄화 공정은 불활성 분위기에서 수행되어야 합니다.탄화 초기 단계에서 팬 사슬이 끊어지고 가교 반응이 시작됩니다.온도가 증가함에 따라 열분해 반응이 시작되어 많은 수의 소분자 가스가 방출되고 흑연 구조가 형성되기 시작합니다.온도가 더 높아지자 탄소 함량이 급격히 증가하고 탄소섬유가 형성되기 시작했다.
흑연화(처리 온도 2000℃ 이상): 흑연화는 탄소섬유 생산에 있어 필수 공정은 아니지만 선택 공정입니다.탄소섬유의 높은 탄성률을 기대한다면 흑연화가 필요합니다.탄소섬유의 고강도를 기대한다면 흑연화는 필요하지 않다.흑연화 공정에서는 고온으로 인해 섬유가 발달된 흑연 메쉬 구조를 형성하고 구조가 연신에 의해 통합되어 최종 제품을 얻습니다.
기술장벽이 높아 다운스트림 제품에 고부가가치가 부여되고, 항공복합재료 가격은 생사 가격의 200배에 이른다.탄소섬유 제조의 난이도가 높고 공정이 복잡하기 때문에 제품의 하류측이 많을수록 부가가치가 높아집니다.특히 항공우주 분야에 사용되는 고급 탄소섬유 복합재료의 경우 다운스트림 고객의 신뢰성과 안정성에 대한 요구가 매우 엄격하기 때문에 제품 가격도 일반 탄소섬유에 비해 기하급수적인 성장을 보입니다.
게시 시간: 2021년 7월 22일