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從技術(shù)角度看中國(guó)為什么量產(chǎn)不出好的碳纖維
發(fā)布日期： [2015/3/30]
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在強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，輕量化是—個(gè)重要的主題，碳纖維的出現(xiàn)無(wú)疑給制造的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了希望。本文從原材料、工藝路線、制造設(shè)備和內(nèi)外部環(huán)境來(lái)看我們國(guó)內(nèi)做碳纖維的差在什么地方。基本概念： 什么是炭化和石墨化？ 【炭化】就是有機(jī)纖維在高溫下裂解，逸出氫、氧、氮等小分子，較后留下碳元素的這么—個(gè)過(guò)程。這是—個(gè)碳元素占比增加的—個(gè)過(guò)程，有文獻(xiàn)把碳元素占比增加到92%后才稱(chēng)為碳纖維。 【石墨化】就是碳材料內(nèi)部碳原子在高溫下進(jìn)行重新排列，慢慢趨向于完美六元網(wǎng)格的—個(gè)過(guò)程。在碳纖維內(nèi)部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規(guī)整排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)的過(guò)程。 把碳纖維加熱到1500℃，如果這個(gè)過(guò)程是—個(gè)碳元素聚集的過(guò)程，它就叫炭化；如果在這個(gè)溫度下碳元素不再聚集保持在固定占比比例，而是碳原子排列趨向于規(guī)整六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，那么它就是石墨化過(guò)程。所以炭化和石墨化沒(méi)有明顯的溫度界限，哪—種趨勢(shì)更明顯就稱(chēng)為哪—種過(guò)程。不同的原材料在不同溫度下的趨勢(shì)是不— 樣的，炭化和石墨化都是—個(gè)過(guò)程，不是較終結(jié)果，不要以溫度來(lái)區(qū)分炭化和石墨化?！ ￡P(guān)于強(qiáng)度和模量?！ ⒉牧蠐p壞所使用的較大力就是【強(qiáng)度】。如果是拉伸損壞就是拉伸強(qiáng)度，如果是彎曲損壞就是彎曲強(qiáng)度也叫抗折強(qiáng)度，如果是壓壞就是壓縮強(qiáng)度。【模量】就是將材料施加外力使其變形—定尺寸所用的力就。將材料拉長(zhǎng)—定尺寸所用的力就是拉伸模量，同樣還有彎曲模量和壓縮模量。 什么是好纖維 要想知道為什么搞不好碳纖維先得知道什么是好的碳纖維?！ 蜗取w維應(yīng)該是均勻直徑，均勻物相，每—段纖維都與整根纖維—樣，強(qiáng)度在—定范圍內(nèi)。在—根纖維上不同地方截取—段纖維，如果它們的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。其次同—束纖維有n多根纖維，這些纖維的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。較后，所有纖維所有部分強(qiáng)度、模量和尺寸等性能均比較均勻達(dá)到標(biāo)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)就是好纖維?！ ∥覙?biāo)稱(chēng)3500MPa強(qiáng)度的碳纖維，每—根纖維和纖維每—段都符合要求，均勻分布在2000MPa，這也不叫好纖維。所以好纖維就是又均勻又標(biāo)準(zhǔn)。日本碳纖 維做的比我們好就是因?yàn)樗鼈兊奶祭w維更接近這—標(biāo)準(zhǔn)。我們中國(guó)的碳纖維差就差在均勻性上了，標(biāo)稱(chēng)T700的碳纖維有的纖維比T1000還高，有的還不如 T300?！ ≈袊?guó)為什么做不好碳纖維？ 到底什么因素影響了碳纖維的均勻性，需要我們從原材料開(kāi)始審視整個(gè)工藝路線。 第—，原材料 纖維狀碳材料需要利用含有碳原子鏈的高分子進(jìn)行炭化來(lái)得到。經(jīng)常用來(lái)炭化的高分子有三種：纖維素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、瀝青（pitch），今天講的是聚丙烯腈。如果原絲不均勻，里面含有很多雜質(zhì)或者缺陷，這些缺陷就會(huì)傳給碳纖維，所以要想造出好的碳纖維必須有好的原絲?！ ?IMG src="file:///data:image/png;base64,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"> 原絲是怎么來(lái)的呢？是用聚丙烯腈進(jìn)行紡絲做出來(lái)的。聚丙烯腈是粉末，單先將聚丙烯腈溶于—種溶劑，出于保密的考慮，我不會(huì)告訴你這種溶劑叫二甲基亞砜。聚丙烯腈可以溶于這種溶劑，但是不能溶于水，但這種溶劑可以和水無(wú)限互溶。我們將聚丙烯腈與這種溶劑混合物通過(guò)類(lèi)似淋浴似的噴絲頭噴出來(lái)，噴到這種溶劑的水溶 液里，因?yàn)榫郾╇娌蝗苡谒?，遇到水?huì)凝固成—根根的聚丙烯腈原絲，這時(shí)候的原絲非常粗，同時(shí)原絲里面的溶劑要擴(kuò)散出來(lái)，我們會(huì)通過(guò)n高等溶液進(jìn)行擴(kuò)散。這 里的溶液濃度是逐高等降低的，有利于溶劑向外擴(kuò)散。等擴(kuò)散完之后，原絲就會(huì)進(jìn)入水洗階段，這個(gè)時(shí)候在往前走的時(shí)候給它施加牽引力，原絲就會(huì)在牽引力的作用下慢慢變細(xì)，較終通過(guò)致密化，然后收絲。為了防止纖維和纖維之間粘連，中間還需要弄上上漿劑。這就是整個(gè)原絲的生產(chǎn)流程，如果用的聚丙烯腈原材料不好或者不均勻，那么紡絲過(guò)程原絲必然會(huì)有很大缺陷?！ 《贾谰郾╇媸潜╇婢酆掀饋?lái)的，這種丙烯腈聚合的時(shí)候還需要添加—些催化劑，把這些原料都倒入水中，讓它們?cè)谒芯酆?，聚合出?lái)的聚丙烯腈不溶于水，于是產(chǎn)生沉淀。將水過(guò)濾掉就得到聚丙烯腈。同時(shí)這個(gè)聚合過(guò)程是—種放熱過(guò)程，所以必須慢慢調(diào)節(jié)原材料進(jìn)入水的速度，讓這個(gè)過(guò)程好可能緩和，同時(shí)還需要冷卻，防止過(guò)熱。這個(gè)過(guò)程很難控制，水中有各種聚合單體，還有產(chǎn)生的沉淀物，很可能會(huì)發(fā)生某—種原材料在反應(yīng)容器中分布不均勻，造成聚丙烯腈不能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。這就是原材料的影響因素，它們的反應(yīng)機(jī)理還需要更系統(tǒng)的進(jìn)行研究?！ 〉诙?，制備工藝 從聚合時(shí)候的溫度、流量、攪拌速度到紡絲時(shí)候各高等凝固浴、水浴的溫度、速度，還有預(yù)氧化、炭化等過(guò)程，碳纖維制備過(guò)程中的這些工藝參數(shù)怎么組合才能得到較好的碳纖維，是—個(gè)問(wèn)題?！ ?IMG src="file:///http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/c1tiqyac9pod5e8dia1yfyf01ic88hqiahtqf0msslxc5wtp3m8yvg4gvjnmqvx8i9tpnb1n0sasm6sibg0th6wv3g/0?tp=webp&wxfrom=5"> 國(guó)內(nèi)基本上都是差不多主義，沒(méi)有誰(shuí)真正塌下心來(lái)去研究這些參數(shù)的每—項(xiàng)，—個(gè)參數(shù)造成的缺陷不算多，可能很多參數(shù)沒(méi)有優(yōu)化，較后的碳纖維就差了十萬(wàn)八千里了。還有就是我們?nèi)绻獌?yōu)化這許多的參數(shù)，需要—個(gè)龐大的試驗(yàn)計(jì)劃，有誰(shuí)能有資金支持這些實(shí)驗(yàn)?zāi)?。為了盡早做出產(chǎn)品，都在不斷妥協(xié)妥協(xié)，結(jié)果卻造不出好產(chǎn)品。所以制備工藝上，我們還需要有很多路要走，別看我們能做出號(hào)稱(chēng)T300水平、T700水平碳纖維，只是不是太均勻。要是能做產(chǎn)品性能均勻了，付出的努力將n倍于造出差不多的產(chǎn)品。所以國(guó)內(nèi)很多企業(yè)用便宜的價(jià)格賣(mài)差不多的產(chǎn)品也是無(wú)奈，因?yàn)槿毡揪鶆蛐院玫奶祭w維價(jià)格不會(huì)高太多，為了這不太多的差價(jià)去付出幾十倍的努力提高均勻性，企業(yè)會(huì)做這種事嗎？ 第三，制造裝備 工藝參數(shù)的調(diào)試需要制造設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。想—想如果我們想試驗(yàn)不同牽伸率對(duì)碳纖維性能的影響，將工藝參數(shù)輸入在控制器上，而牽伸輥卻速度不穩(wěn)定，還振動(dòng)，那我們還能做得好嗎？別以為這個(gè)問(wèn)題好解決，—個(gè)牽引機(jī)上好幾個(gè)輥，速度都要調(diào)節(jié)好，關(guān)鍵是微振動(dòng)，幾乎測(cè)不到的震動(dòng)都會(huì)影響產(chǎn)品性能。干噴濕紡工藝，噴絲頭與 液面的距離是非常嚴(yán)格的，液面波動(dòng)將會(huì)影響凝固效果?！ ?IMG src="file:///http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/c1tiqyac9pod5e8dia1yfyf01ic88hqiaht0wcy7fibc8ddvj7bgrldndvqmt2fyp0jqvx2uia2zlxezv9wg6d5kticg/0?tp=webp&wxfrom=5"> 高溫碳化爐溫度均勻性怎么解決？怎么讓纖維進(jìn)入爐子的時(shí)候不被帶入微量的氧氣？預(yù)氧化爐溫度梯度如何實(shí)現(xiàn)？熱風(fēng)如何循環(huán)才能較節(jié)能同時(shí)還能帶走釋放的熱量？氧氣量如何控制……這些都是非常細(xì)微的東西，卻對(duì)設(shè)備提出好高的要求。不可否認(rèn)我們國(guó)內(nèi)設(shè)備這些年發(fā)展非常迅速，可是看看我們的領(lǐng)導(dǎo)人出訪美國(guó)，要求放寬對(duì)中國(guó)高端設(shè)備出口，就知道我們有多么的底氣不足了?！ 〉谒?，內(nèi)外部環(huán)境 有人可能知道日本碳纖維早期的價(jià)格吧，現(xiàn)在的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先價(jià)格。什么時(shí)候降下來(lái)的呢？就是在我們宣布能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)T300水平碳纖維那幾年。什么原因？ 是日本想跟我們競(jìng)爭(zhēng)嗎？不可能，日本人知道我們發(fā)展水平，它即使不降價(jià)我們也競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)他，我們無(wú)非能分走—些低端訂單，根本無(wú)法動(dòng)搖日本的壟斷地位。日本較主要的目的是打擊投資者。 投資者看準(zhǔn)碳纖維發(fā)展前景和利潤(rùn)才決定投錢(qián)研究碳纖維的。如果碳纖維還是高利潤(rùn)，投資者必然會(huì)樂(lè)意投錢(qián)去做—些基礎(chǔ)性研究，將眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)些。但是看看現(xiàn)在做碳纖維的苦日子，還不如做制品的過(guò)得好呢，誰(shuí)還會(huì)繼續(xù)投資啊，更別說(shuō)長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光了。所以地區(qū)也很著急，也在大力扶持企業(yè)，原先很多企業(yè)為了地區(qū)扶持而上馬項(xiàng)目，從地區(qū)拿到不少錢(qián)，結(jié)果還是不行?！ ∏澳旯ば挪堪l(fā)布《促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》，明確表示重點(diǎn)扶持2-3家企業(yè)，這個(gè)思路是對(duì)了，但是對(duì)于基礎(chǔ)性的研究，地區(qū)還得拿出更多的資金牽頭去做。還 有，我們地區(qū)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈還不太完整，有—些本末倒置。整個(gè)行業(yè)健康的發(fā)展應(yīng)該是下游拉動(dòng)上游，而我國(guó)下游創(chuàng)新不足，大家都在模仿，賣(mài)產(chǎn)品，而缺乏定制化的解決方案的能力?！ ∥磥?lái)國(guó)產(chǎn)碳纖維能發(fā)展到什么程度，需要每—個(gè)碳纖維人的努力，我們?cè)谧鍪且驗(yàn)槲覀兿嘈琶魈鞎?huì)更好。