Збільшення продуктивності виробництва вуглецевого волокна

Незважаючи на надзвичайний легкий будівельний потенціал, вуглецеві волокна в наш час рідко використовуються у масових застосуваннях. Головною причиною цього є висока ціна 15-25 євро/кг, що зумовлено енергоємним і, отже, витратним виробничим процесом [1]. Основним фактором витрат є процес стабілізації з тривалим часом перебування при високих температурах.

Зміни в кольорі вихідних волокон під час виробництва вуглецевого волокна: Скорочення часу циклу суттєво сприяє економії витрат і, отже, кращій економічній ефективності компонентів CFRP (армований вуглецевим волокном) Зображення: ITA, RWTH Аахен

Час перебування становить від 60 хв до 100 хв при температурі до 280 ° C [2; 3]. Одним із рішень скорочення часу є розробка технологічних профілів, адаптованих до хімічних властивостей вихідного матеріалу. В Інституті текстильних технологій (ITA) при Ахенському університеті RWTH на стаціонарних пілотних установках досягнуто часу стабілізації 22 хвилини. Механічні властивості вуглецевих волокон порівнянні з промисловими стандартними вугільними волокнами (міцність на розрив: 4100 МПа, Е-модуль: 220 ГПа).

Значення CFRP для легкої конструкції

Зниження викидів CO2 за допомогою легкої конструкції є центральним напрямком розвитку сьогодні. Тому пластмаси, армовані вуглецевим волокном (CFRP), все частіше використовуються як заміна класичних металів. У порівнянні з класичними металами, такими як алюміній, CFRP пропонують відношення міцності до ваги, яке в 10 разів вище, що робить їх ідеальними для легких будівельних застосувань.

Порівняно з високоміцними сталями, які часто використовуються в автомобільному секторі, співвідношення ціни та міцності CFRP також у 10 разів вище. CFRP до цих пір використовувались у нішових додатках з акцентом на зменшенні ваги. Одним з основних факторів витрат є висока ціна на вуглецеве волокно, що зумовлено енерго- та трудомістким виробничим процесом [2].

На рисунку 1 показано історичний та прогнозований світовий попит на вуглецеві волокна з 2008 по 2020 рік [4].

Рисунок 1. Прогноз зростання глобального попиту на вуглецеві волокна (* оцінки), згідно [4]. Зображення: ITA, RWTH Аахен

Можливості скоротити витрати

Одне з найдешевших вуглецевих волокон зараз продається Zoltek (Bridgeton/США) за ціною 14 євро/кг [6]. Однак низька ціна досягається завдяки використанню великогабаритних "важких буксирів" (50 тис.) З низькими механічними властивостями та низькою якістю волокна.

При виробництві вуглецевого волокна термічна стабілізація з повільними процесами до 100 хвилин при температурі до 280 ° C є обмежувальною [3]. Основною причиною тривалого часу процесу є екзотермічні реакції, що зумовлені дифузією, що відбуваються в поперечному перерізі волокна [2]. Як показано на малюнку 2, на стабілізацію припадає майже 50% енергетичних витрат на теплову конверсію [7].

Рис. 2. Розподіл енергоспоживання під час виробництва вуглецевого волокна [5]. Зображення: ITA, RWTH Аахен

явно невигідне співвідношення ціни та якості CFRP порівняно з високоміцними сталями або алюмінієм, а також армованими скловолокном пластмасами,
відсутність масового використання вуглецевих волокон - очевидний легкий будівельний потенціал,
Драйвером витрат є термостабілізація через тривалий час процесу.

Основною метою досліджень вуглецевого волокна в ITA є скорочення часу процесу стабілізації з метою зниження ціни на вуглецеве волокно. При впровадженні в промислових масштабах співвідношення ціни та якості CFRP покращується порівняно з іншими армувальними матеріалами, і, отже, можливе масове використання вуглецевих волокон для полегшених будівельних робіт.

Сучасний рівень виробництва вуглецевого волокна

У промисловому стандарті вуглецеві волокна виготовляються з полімерного поліакрилонітрилу (PAN). Спочатку PAN обробляють у «попередники» за допомогою процесу прядіння з розчинником. Тисячі окремих ниток поєднуються, утворюючи пучок волокон. Після цього відбувається термічне перетворення (стабілізація та карбонізація) попередників PAN у вуглецеві волокна.

Під час процесу стабілізації попередники PAN роблять негорючими та неплавкими завдяки реструктуризації молекулярних ланцюгів, утворюючи піридинову кільцеву структуру. Це готує попередники до подальшої карбонізації. Під час карбонізації вміст вуглецю поступово збільшується до понад 90%. Утворюється характерна гексагональна кільцева структура атомів вуглецю, що призводить до високих механічних властивостей вуглецевих волокон.

Нарешті, вуглецеві волокна проходять додаткову обробку із застосуванням проклеювання. Проклеювання максимізує адгезію і відповідно передачу потужності між матричним пластиком і вуглецевими волокнами. Він захищає волокна від стирання при виготовленні текстильних поверхонь. З точки зору технологічної технології прядіння розчинника відокремлено від термічного перетворення завдяки суттєво різним швидкостям виробництва. Стабілізація, карбонізація та доочищення відбуваються безпосередньо послідовно. На рисунку 3 схематично показані різні етапи виробництва [1–3].

Рисунок 3. Схематичне зображення технологічного ланцюга для виробництва вуглецевого волокна. Зображення: ITA, RWTH Аахен

Дотепер у великих масштабах стабілізація була представлена чотирма-дванадцятьма печами, кожна з яких має ізотермічний температурний профіль. Температура підвищується при постійних стрибках від першої до останньої печі, при цьому час перебування в печі підтримується постійним.

Центральним аспектом безпеки стабілізації є утворення токсичного ціаністого водню, який доводиться скидати та спалювати за допомогою вихлопної системи. Крім того, реакції стабілізації дуже екзотермічні. Щоб забезпечити високу стабільність та надійність процесу, енергію екзотермічної реакції потрібно контролювати та розсіювати. Мінімально можливий час стабілізації визначається ступенем стабілізації волокон, необхідних для процесу, та експлуатаційною надійністю системи [1; 2].

На додаток до різних параметрів системи, наступні три технологічні параметри мають суттєве значення для управління процесом стабілізації:

температури,
Час затримки,
Розтягування.

У технічному рівні техніки час перебування при різних рівнях температури (різні печі) є однаковим. Загальний час стабілізації приблизно від 60 хв до 100 хв в даний час реалізується промислово, залежно від відповідного виробника та існуючих ноу-хау.

Завдання та підхід до зменшення витрат

Метою дослідження є зменшення часу процесу, необхідного для стабілізації. Таким чином, має бути спрямоване на зменшення витрат на виробництво CFRP. Передбачається, що властивості механічного волокна знижуються через зменшення часу перебування. Для досягнення результатів промислового застосування важливо досягти певної якості волокна.

Завданням механічних властивостей є волокно типу "Т300" від японського виробника Toray Industries, Inc. з міцністю на розрив 3,5 ГПа з Е-модулем 230 ГПа і подовженням при розриві 1,5%. Це волокно є одним з найдешевших вуглецевих волокон, доступних на ринку, з прийнятними властивостями. Він широко використовується у вторинних структурних компонентах літаків, в автомобільному секторі та у секторі спорту та відпочинку.

У обраному підході час перебування при різних рівнях температури встановлюється окремо один від одного. Зокрема, параметри процесу, температура, час перебування та розтягування адаптуються до перебігу реакції та хімічних та теплових властивостей попередника в різних температурних зонах. Оскільки властивості різних попередників дуже різні, в ITA був розроблений методичний підхід, на основі якого можна розробити параметри процесу для існуючого попередника.

Збільшення швидкості виробництва стабілізації супроводжується більш високою швидкістю виробництва карбонізації. Таким чином, час витримки карбонізації також зменшується із обраним підходом. Отже, процедура також враховує розробку параметрів процесу для подальшої карбонізації, які залежать від відповідного контролю процесу стабілізації.

Результати

Як результат, час стабілізації становив 22 хвилини завдяки стабільності та надійності процесу. Для цього був використаний промисловий попередник компанії Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. Завдяки часу стабілізації лише 15 хвилин також можна було досягти ступеня стабілізації, за допомогою якого можлива карбонізація і, отже, виробництво вуглецевого волокна. Однак за такого короткого часу перебування велика кількість токсичних газів утворюється за короткий час, так що неможливо забезпечити достатню надійність процесу.

При тривалості затримки 22 хвилини досягнута міцність на розрив становить 4,1 ГПа при модулі пружності 220 ГПа та подовженні при розриві 1,8%. Отже, досягнуті механічні властивості досягають і перевищують рівень звичайних промислових вуглецевих волокон (наприклад, Toray T300, Toho Tenax HTS 40). Головною перевагою розробленого підходу є використання існуючої звичайної технології заводу, що дозволяє передавати метод на промислові виробничі лінії без додаткових інвестиційних витрат.

Залежно від попереднього виробничого процесу можна досягти зменшення виробничих витрат на 3 євро/кг CF. Тут можливі два різні варіанти: з одного боку, введення в експлуатацію нової виробничої лінії з меншими печами - і, таким чином, зниження інвестиційних витрат. З іншого боку, прискорення швидкості виробництва існуючих виробничих ліній.

Висновок та перспективи

Досягнуті результати узагальнені на малюнку 4.

Рисунок 4. Результати, отримані з часом стабілізації 22 хв. Зображення: ITA, RWTH Аахен

Завдяки розробленій процедурі можна досягти підвищення продуктивності праці більш ніж на 300% за допомогою якості волокна, звичної на ринку. Поки що результати були досягнуті в масштабі пілотної установки. Наступним кроком є передача результатів або перенесення методів на розмір заводу в пілотному масштабі з метою підтвердження промислової доцільності.