Desde una perspectiva tecnológica, ¿por qué China no puede producir buena fibra de carbono?
Desde una perspectiva técnica, ¿por qué China no puede producir buena fibra de carbono?
Conceptos básicos:
¿Qué son la carbonización y la grafitización?
La carbonización es un proceso en el que las fibras orgánicas se agrietan a altas temperaturas, liberando pequeñas moléculas como hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y, en última instancia, dejando carbono. Este es un proceso de aumento de la proporción de carbono. En algunos documentos, la proporción de carbono se aumenta al 92% y se denomina fibra de carbono.
La grafitización es un proceso en el que los átomos de carbono de materiales de carbono se reorganizan a altas temperaturas, tendiendo gradualmente a una cuadrícula perfecta de seis elementos. Dentro de la fibra de carbono, es un proceso en el que la disposición desordenada original de los átomos de carbono tiende gradualmente a una estructura de grafito desordenada y dispuesta regularmente.
Calentar la fibra de carbono a 1500℃, si este proceso es la agregación de elementos de carbono, se llama carbonización, a esta temperatura, si los elementos de carbono ya no se agregan y mantienen una proporción fija, sino los átomos de carbono; La disposición tiende a una estructura de cuadrícula regular de seis elementos, que es el proceso de grafitización. Por lo tanto, no existe un límite de temperatura obvio entre la carbonización y la grafitización. Cualquier tendencia que sea más obvia se denomina proceso. Diferentes materias primas tienen diferentes tendencias a diferentes temperaturas. La carbonización y la grafitización son tanto un proceso, no el resultado final. No utilice la temperatura para diferenciar entre carbonización y grafitización.
Sobre resistencia y módulo.
La mayor fuerza que se utiliza para dañar los materiales es la fuerza. Si es daño por tracción, es resistencia a la tracción; si es daño por flexión, es resistencia a la flexión, también llamada resistencia a la flexión, si es aplastado, es resistencia a la compresión; El módulo es la fuerza que hace que un material se deforme hasta un cierto tamaño al aplicarle una fuerza externa. La fuerza utilizada para estirar un material hasta un cierto tamaño es el módulo de tracción, así como el módulo de flexión y el módulo de compresión.
¿Qué es la fibra buena?
Si quieres saber por qué la fibra de carbono es mala, primero debes saber qué es la fibra de carbono buena.
En primer lugar, una fibra debe ser uniforme en diámetro y fase. Cada fibra, como toda la fibra, tiene una determinada resistencia dentro de un rango determinado. Corta una sección de fibra en diferentes lugares de la fibra. Si su fuerza es relativamente uniforme, son buenas fibras. En segundo lugar, hay más de N fibras en el mismo haz. La resistencia de estas fibras es relativamente uniforme y son buenas fibras. Finalmente, la resistencia, el módulo, el tamaño y otras propiedades de todas las fibras son consistentes y cumplen con los estándares nominales, y son buenas fibras.
La resistencia nominal de mi fibra de carbono es de 3500 MPa. Cada fibra y cada segmento de fibra cumple con los requisitos. Se distribuye uniformemente a 2000 MPa, lo cual no es una buena fibra. La buena fibra es tan uniforme y estándar. Los tamaños de fibra de carbono japoneses son mejores que los nuestros porque su fibra de carbono está más cerca de este estándar. Nuestra fibra de carbono china tiene poca uniformidad. Algunas fibras de fibra de carbono T700 son más altas que las T1000 y otras no son tan buenas como las T300.
¿Por qué China no puede fabricar bien fibra de carbono?
¿Qué factores afectan la uniformidad de la fibra de carbono? Necesitamos examinar toda la ruta del proceso desde las materias primas.
En primer lugar, las materias primas
Los materiales fibrosos de carbono deben carbonizarse con polímeros que contengan cadenas de carbono. Hay tres tipos de polímeros comúnmente utilizados para la carbonización: celulosa (rayón), poliacrilonitrilo (PAN) y brea. Hoy hablo del poliacrilonitrilo. Si el precursor es desigual y contiene muchas impurezas o defectos, estos defectos se transmitirán a la fibra de carbono, por lo que para hacer una buena fibra de carbono, debes tener un buen precursor.
¿De dónde vino el precursor? Está hecho de poliacrilonitrilo. El poliacrilonitrilo es un polvo. Primero, disuelva el poliacrilonitrilo en un solvente. Por motivos de confidencialidad, no les diré que el disolvente se llama dimetilsulfóxido. El poliacrilonitrilo se puede disolver en este disolvente pero no en agua, pero este disolvente es infinitamente miscible con agua. Pulverizamos una mezcla de poliacrilonitrilo y este disolvente a través de una hilera de pulverización en una solución acuosa de este disolvente. Dado que el poliacrilonitrilo es insoluble en agua, se solidificará en hebras individuales de poliacrilonitrilo cuando se exponga al agua. En este momento, el precursor es muy espeso y el disolvente del precursor se difundirá a través de la solución de nivel N. La concentración de la solución aquí disminuye gradualmente, lo que favorece la difusión del disolvente hacia el exterior. Después de la difusión, el precursor entrará en la fase de lavado. En este punto, cuando se ejerce tracción sobre él a medida que avanza, el precursor se volverá gradualmente más delgado bajo la tracción y finalmente se densificará y luego se recogerá. Para evitar la adhesión entre fibras, se requiere un agente de apresto en el medio. Este es todo el proceso de producción de precursores. Si la materia prima de poliacrilonitrilo utilizada no es buena o uniforme, el hilo en bruto inevitablemente tendrá grandes defectos durante el proceso de hilado.
Como todos sabemos, el poliacrilonitrilo se polimeriza a partir de acrilonitrilo. Al polimerizar acrilonitrilo, es necesario agregar algunos catalizadores, verter todas estas materias primas en agua y dejar que se polimericen en el agua. El poliacrilonitrilo después de la polimerización es insoluble en agua, por lo que se producirá precipitación. El agua se filtra para obtener poliacrilonitrilo. Al mismo tiempo, este proceso de polimerización es un proceso exotérmico y la velocidad a la que las materias primas ingresan al agua debe ajustarse lentamente para que el proceso sea lo más suave posible. Al mismo tiempo, es necesario enfriarlo para evitar el sobrecalentamiento. . Este proceso es difícil de controlar. En el agua se encuentran varios monómeros polimerizados, así como los precipitados resultantes. Es probable que cierta materia prima esté distribuida de manera desigual en el recipiente de reacción, lo que hace que el poliacrilonitrilo no cumpla con los estándares requeridos.
Todos estos son factores que afectan a las materias primas y sus mecanismos de reacción requieren una investigación más sistemática.
2. Proceso de preparación.
Desde la temperatura, el caudal y la velocidad de agitación durante la polimerización hasta la temperatura y velocidad de los baños de coagulación y los baños de agua en todos los niveles durante el hilado, así como la preoxidación y la carbonización, cómo combinar estos procesos. Parámetros en el proceso de preparación de la fibra de carbono. Obtener la mejor fibra de carbono es un problema.
Básicamente, en China ocurre lo mismo. Realmente nadie se calma para estudiar cada uno de estos parámetros. No hay muchos defectos causados por un parámetro y muchos parámetros no necesariamente están optimizados, por lo que la fibra de carbono final es muy diferente. Además, si queremos optimizar todos estos parámetros, necesitamos un enorme plan experimental. ¿Quién puede permitirse el lujo de apoyar estos experimentos? Para fabricar productos lo más rápido posible, todo el mundo hace concesiones constantemente, pero al final no pueden fabricar buenos productos. Así que todavía nos queda un largo camino por recorrer en términos de tecnología de preparación. Aunque podemos fabricar fibras de carbono de nivel T300 y T700, no deberían ser demasiado uniformes. Si se puede unificar el rendimiento del producto, el esfuerzo requerido será n veces mayor que el de productos similares. Por lo tanto, muchas empresas nacionales no tienen más remedio que vender productos similares a bajo precio, porque el precio de la fibra de carbono con buena uniformidad en Japón no será mucho mayor. ¿Hará la empresa decenas de esfuerzos para mejorar la uniformidad de esta pequeña diferencia de precio?
En tercer lugar, la fabricación de equipos.
La depuración de parámetros de proceso requiere de equipos de fabricación. Piénsalo. Si desea probar el efecto de diferentes velocidades de estirado en el rendimiento de la fibra de carbono e ingresar los parámetros del proceso en el controlador, pero el rodillo de estirado es inestable y vibra, ¿aún así se puede hacer bien? No creas que este problema es fácil de resolver. Se deben ajustar las velocidades de varios rodillos del tractor. La clave es la microvibración. Una vibración casi imperceptible afectará el rendimiento del producto. En el proceso de hilatura húmeda con chorro seco, la distancia entre la hilera y el nivel del líquido es muy estricta y las fluctuaciones en el nivel del líquido afectarán el efecto de coagulación.
¿Cómo solucionar la uniformidad de temperatura de la torre de carbonización de alta temperatura? ¿Cómo evitar que se introduzcan fibras en el horno con trazas de oxígeno? ¿Cómo realizar el gradiente de temperatura del horno de preoxidación? ¿Cómo se puede hacer circular el aire caliente para ahorrar energía y eliminar el calor liberado? Cómo controlar la cantidad de oxígeno... Estas son cosas muy sutiles, pero imponen exigencias extremadamente altas al equipo. Es innegable que nuestro equipo nacional se ha desarrollado muy rápidamente en los últimos años, pero si observa la visita de nuestros líderes a los Estados Unidos y la demanda de flexibilización de las exportaciones de equipos de alta gama a China, sabrá lo débiles que somos.
En cuarto lugar, entorno interno y externo
Algunas personas pueden conocer el precio inicial de la fibra de carbono en Japón, pero el precio actual es mucho más bajo que el precio original. ¿Cuándo bajaste? Fue durante esos años que anunciamos que podíamos producir industrialmente fibra de carbono horizontal T300. ¿Cuál es la razón? ¿Japón quiere competir con nosotros? Imposible. Los japoneses conocen nuestro nivel de desarrollo. Incluso si no bajamos los precios, no podemos compararnos con ellos. Sólo puede dividir algunos pedidos de gama baja, pero la posición de monopolio de Japón no puede ser sacudida en absoluto. El objetivo principal de Japón es tomar medidas enérgicas contra los inversores.
Los inversores decidieron invertir en la investigación de la fibra de carbono después de ver las perspectivas de desarrollo y los beneficios de la fibra de carbono. Si la fibra de carbono sigue siendo rentable, los inversores estarán dispuestos a invertir dinero para realizar algunas investigaciones básicas y pensar a largo plazo. Pero considerando la dura vida que supone fabricar fibra de carbono ahora, es mejor fabricar buenos productos. ¿Quién seguirá invirtiendo, y mucho menos tendrá una visión a largo plazo? Por lo tanto, el país también está muy ansioso y también está apoyando vigorosamente a las empresas. Muchas empresas iniciaron proyectos con apoyo estatal y recibieron mucho dinero del estado, pero los resultados aún no fueron buenos.
El Ministerio de Industria y Tecnología de la Información emitió las "Opiniones sobre la promoción del desarrollo de la industria de la fibra de carbono" el año pasado, indicando claramente que se centraría en apoyar a 2 o 3 empresas. Esta idea es correcta, pero para la investigación básica, el Estado debe asignar más fondos para tomar la iniciativa. Además, la cadena industrial de fibra de carbono de nuestro país aún no está completa y algunos están poniendo el carro delante del caballo. El desarrollo saludable de toda la industria debe ser impulsado por el downstream. Sin embargo, la innovación downstream de mi país es insuficiente. Todo el mundo está imitando y vendiendo productos y carece de la capacidad de personalizar soluciones.
Hasta qué punto la fibra de carbono nacional podrá desarrollarse en el futuro requiere el esfuerzo de cada persona que practica la fibra de carbono. Hacemos esto porque creemos que mañana será mejor.