A termelékenység növekedése a szénszál-előállításban

Kiemelkedő könnyű konstrukciós potenciáljuk ellenére a szénszálakat manapság ritkán használják tömeges alkalmazásokban. Ennek fő oka a magas, 15-25 euró/kg ár, amely az energiaigényes és így költségigényes termelési folyamatnak köszönhető [1]. A fő költségmeghajtó a stabilizálás folyamata, hosszú tartózkodási idő magas hőmérsékleten.

RWTH Aachen

A kimeneti szálak színváltozása a szénszál-előállítás során: A ciklusidők csökkentése jelentősen hozzájárul a költségmegtakarításokhoz és ezáltal a CFRP (szénszálas erősítésű műanyag) alkatrészek jobb gazdasági hatékonyságához. Kép: ITA, RWTH Aachen

A tartózkodási idő 60 perc és 100 perc között van, legfeljebb 280 ° C hőmérsékleten [2; 3]. Az idő rövidítésének egyik megoldása a kiindulási anyag kémiai tulajdonságaihoz igazodó folyamatprofilok kifejlesztése. Az RWTH Aacheni Egyetem Textiltechnológiai Intézetében (ITA) 22 perc stabilizációs időt sikerült elérni a folyamatos kísérleti üzemekben. A szénszálak mechanikai tulajdonságai összehasonlíthatók az ipari szabványos szénszálakkal (szakítószilárdság: 4100 MPa, E-modul: 220 GPa).

A CFRP jelentősége a könnyű építés szempontjából

A CO2-kibocsátás csökkentése a könnyű konstrukció révén ma központi fejlesztési irány. Ezért a szénszállal erősített műanyagokat (CFRP) egyre inkább a klasszikus fémek helyettesítésére használják. A klasszikus fémekhez, például az alumíniumhoz képest, a CFRP-k 10-szer nagyobb szilárdság/tömeg arányt kínálnak, ami ideális könnyű építési alkalmazásokhoz.

A nagy szilárdságú acélokhoz képest, amelyeket gyakran használnak az autóiparban, a CFRP ár-szilárdság aránya is tízszer magasabb. A CFRP-ket eddig a fülkék alkalmazásában használták, a súlycsökkentésre összpontosítva. Az egyik fő költségmeghajtó a magas szénszálas ár, amely az energia- és időigényes gyártási folyamatnak köszönhető [2].

Az 1. ábra a szénszálak korábbi és előrejelzett globális keresletét mutatja 2008 és 2020 között [4].

1. ábra: A szénszálak globális keresletének növekedési előrejelzése (* becslések) a [4] szerint. Kép: ITA, RWTH Aachen

Lehetőségek a költségek csökkentésére

Az egyik legolcsóbb szénszálat jelenleg Zoltek (Bridgeton/USA) értékesíti 14 euró/kg áron [6]. Az alacsony árat azonban nagy mechanikai tulajdonságokkal és alacsony rostminőségű, nagy volumenű "Heavy Tow" (50k) használatával érik el.

A szénszál-előállításban korlátozódik a termikus stabilizálás lassú, akár 100 perces eljárási idővel 280 ° C-ig terjedő hőmérsékleten [3]. A hosszú folyamatidők fő oka diffúzióvezérelt exoterm reakciók, amelyek a szálkeresztmetszetben kereszteződnek [2]. Amint a 2. ábra mutatja, a stabilizálás a hőátalakítás energiaköltségeinek majdnem 50% -át teszi ki [7].

2. ábra Az energiafogyasztás megoszlása ​​a szénszálas termelés során [5]. Kép: ITA, RWTH Aachen

  • egyértelműen hátrányos a CFRP ár-teljesítmény aránya a nagy szilárdságú acélokhoz vagy alumíniumhoz, valamint üvegszállal erősített műanyagokhoz képest,
  • szénszálak tömeges felhasználása - nyilvánvaló könnyű konstrukciós lehetőség,
  • A költségmeghajtó a hőszabályozás a hosszú folyamatidők miatt.

Az ITA szénszálas kutatásának központi célja a stabilizációs folyamat időtartamának csökkentése a szénszál árának csökkentése érdekében. Ipari léptékben megvalósítva a CFRP ár-teljesítmény aránya javul a többi megerősítő anyaghoz képest, így a szénszálak tömeges felhasználása könnyű építési alkalmazásokhoz lehetséges.

A korszerű szén-szálas gyártás

Az ipari szabványban a szénszálakat a polimer poliakrilnitrilből (PAN) készítik. A PAN-t először oldószeres fonási eljárással "prekurzorokká" fonják. Több ezer egyedi szálat kombinálva szálköteget alkotnak. Ezt követi a PAN prekurzorok szénszálakká történő termikus átalakulása (stabilizáció és karbonizáció).

A stabilizálás során a PAN prekurzorokat éghetetlenné és infúzióképessé teszik a molekulaláncok átszervezésével, hogy piridingyűrűs szerkezetet képezzenek. Ez előkészíti a prekurzorokat a későbbi karbonizációra. A karbonizálás során a széntartalom fokozatosan 90% fölé emelkedik. Kialakul a szénatomok jellegzetes hatszögletű gyűrűs szerkezete, ami a szénszálak magas mechanikai tulajdonságaihoz vezet.

Végül a szénszálakat utólagos kezelésnek vetik alá, méretezéssel. A méretezés maximalizálja a mátrix műanyag és a szénszálak közötti tapadást és ennek megfelelően az erőátvitelt. A textilfelületek gyártása során megvédi a szálakat a kopástól. A folyamattechnológia szempontjából az oldószeres centrifugálás elválik a termikus átalakítástól a jelentősen eltérő gyártási sebesség miatt. A stabilizáció, a karbonizáció és az utókezelés közvetlenül egymás után zajlik. A 3. ábra a különböző gyártási lépéseket vázlatosan mutatja be [1–3].

3. ábra A szénlánc előállításának folyamatláncának sematikus ábrázolása. Kép: ITA, RWTH Aachen

Nagy mértékben a stabilizációt eddig négy-tizenkét kemence képviselte, amelyek mindegyikének izoterm hőmérsékleti profilja van. A hőmérséklet állandó ugrásokkal emelkedik az első kemencétől az utolsóig, a kemencében való tartózkodási idő állandó.

A stabilizálás központi biztonsági szempontja a mérgező hidrogén-cianid képződése, amelyet ki kell üríteni és kipufogórendszerrel elégetni kell. Ezenkívül a stabilizációs reakciók nagyon exotermek. A folyamat nagy stabilitásának és megbízhatóságának biztosítása érdekében az exoterm reakcióenergiát ellenőrizni és elvezetni kell. A lehető legkisebb stabilizálási időt a folyamathoz szükséges szálak stabilizáltságának mértéke és a rendszer működési megbízhatósága határozza meg [1; 2].

A különféle rendszerparaméterek mellett a következő három folyamatparaméter jelentősen releváns a stabilizálás folyamatszabályozásában:

  • hőfok,
  • Tartózkodási idő,
  • Nyújtás.

Az iparban a legkorszerűbb tartózkodási idő a különböző hőmérsékleti szintekben (különböző kemencékben) azonos. Kb. 60 perc és 100 perc közötti teljes stabilizációs idő iparilag megvalósul, az adott gyártótól és a meglévő know-how-tól függően.

A költségcsökkentés célja és megközelítése

A kutatási munka célja a stabilizáláshoz szükséges folyamatidő csökkentése. Ezért a CFRP előállításának költségcsökkentésére kell törekedni. Feltételezzük, hogy a mechanikai szál tulajdonságai csökkennek a tartózkodási idő csökkenése miatt. Az eredmények ipari alkalmazásának eléréséhez elengedhetetlen egy bizonyos szálminőség elérése.

A mechanikai tulajdonságok célja a Toray Industries, Inc. japán gyártó "T300" típusú szála, amelynek szakítószilárdsága 3,5 GPa, 230 GPa E-moduljával és 1,5% -os szakadási nyúlásával. Ez a szál az egyik legolcsóbb, elfogadható tulajdonságokkal rendelkező szénszál a piacon. Széles körben használják a repülőgépek másodlagos szerkezeti alkotóelemeiben, az autóiparban, valamint a sport- és szabadidős szektorban.

A választott megközelítésben a különböző hőmérsékleti szintek tartózkodási idejét egymástól elkülönítve állítják be. Pontosabban, a hőmérsékleti paramétereket, a tartózkodási időt és a nyújtást a reakció lefolyásához, valamint a prekurzor kémiai és termikus tulajdonságaihoz igazítják a különböző hőmérsékleti zónákban. Mivel a különböző prekurzorok tulajdonságai nagyon eltérőek, az ITA-nál kidolgoztak egy módszertani megközelítést, amely alapján egy meglévő prekurzor folyamatparaméterei kidolgozhatók.

A stabilizáció termelési sebességének növekedése a karbonizáció nagyobb termelési sebességével jár. A karbonizáció várakozási ideje tehát szintén csökken a választott megközelítéssel. Az eljárás ezért figyelembe veszi a későbbi karbonizáció folyamatparamétereinek fejlődését is, amelyek a stabilizálás folyamatirányításától függenek.

Eredmények

Az eredmény egy 22 perces stabilizálási idő volt, folyamatstabilitás és megbízhatóság mellett. Ehhez a Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. ipari elődjét használták. A mindössze 15 perces stabilizálási idővel olyan stabilizációs fokot is el lehetett érni, amellyel a karbonizáció és ezáltal a szénszál-előállítás lehetséges. Ilyen rövid tartózkodási idő mellett azonban rövid idő alatt nagy mennyiségű mérgező gáz képződik, így a folyamat megfelelő megbízhatósága nem biztosítható.

22 perc tartózkodási idő mellett az elért szakítószilárdság 4,1 GPa, 220 GPa rugalmassági modulussal és 1,8% -os szakadási nyúlással. Az elért mechanikai tulajdonságok tehát meghaladják a közös ipari szénszálak szintjét (pl. Toray T300, Toho Tenax HTS 40). A kidolgozott megközelítés legfőbb előnye a meglévő, hagyományos üzemi technológia alkalmazása, amely lehetővé teszi a módszer további beruházási költségek nélküli átadását ipari gyártósorokba.

Az előző gyártási eljárástól függően 3 euró/kg CF csökkenthető a termelési költség. Két különböző változat elképzelhető itt: Egyrészt egy új gyártósor üzembe helyezése kisebb sütőkkel - és ezáltal csökkent a beruházási költség. Másrészt a meglévő gyártósorok gyártási sebességének gyorsulása.

Következtetés és kilátások

Az elért eredményeket a 4. ábra foglalja össze.

4. ábra: 22 perc stabilizálási idővel kapott eredmények. Kép: ITA, RWTH Aachen

A kidolgozott eljárással a piacon megszokott szálminőséggel több mint 300% -os termelékenységnövekedés valósítható meg. Az eddigi eredményeket kísérleti üzemben érték el. A következő lépés tehát az eredmények átadása vagy a módszerek átadása az üzem méretére kísérleti léptékben az ipari megvalósíthatóság megerősítése érdekében.