Polyakrylnitril (PAN)-baserad kolfiber är ett högpresterande material som ofta används inom flyg-, bygg-, sport-, fordons- och medicinska områden. Den här artikeln går igenom utvecklingshistoriken och nuvarande status för PAN-baserad kolfiber nationellt och internationellt, dess beredning, struktur, egenskaper och tillämpningar. Den diskuterar också relevanta standarder och testmetoder och erbjuder en framtidsutsikt.

Introduktion till PAN-baserad kolfiber

Kolfiber är ett avancerat material känt för sina överlägsna mekaniska egenskaper. Den kombinerar de inneboende egenskaperna hos kol med flexibiliteten och bearbetbarheten hos textilfibrer, vilket gör den till en viktig förstärkningsfiber. Med en specifik vikt på mindre än en fjärdedel av stål och en draghållfasthet som i allmänhet överstiger 3 500 MPa, erbjuder kolfiberkompositer hållfasthet 7-9 gånger den hos stål och en elasticitetsmodul som sträcker sig från 23 000 MPa till 43 000 MPa. Dessa egenskaper gör kolfiber till ett lovande material i tekniska tillämpningar.

PAN-baserade kolfibrer, härledda från polyakrylnitril, asfalt eller viskos, genomgår processer som föroxidation, karbonisering och grafitisering, vilket resulterar i fibrer med mer än 90 % kolhalt. Dessa fibrer uppvisar bland annat hög hållfasthet, hög modul, låg densitet, hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, friktionsbeständighet, konduktivitet och låg termisk expansion. PAN-baserad kolfiber är den mest använda och står för över 90 % av produktionen på grund av sin enkla tillverkningsprocess och utmärkta omfattande prestanda.

1. Utvecklingsstatus för PAN-baserad kolfiber

1.1 Internationell utveckling

Utvecklingen av PAN-baserad kolfiber började 1959 när japanska Akio Shindo patenterade en process för att producera högpresterande kolfibrer från polyakrylnitril. Idag domineras produktionen av PAN-baserad kolfiber av stora dragfibrer från USA och små dragfibrer från Japan, vilka står för cirka 80 % av det globala utbudet. Stora tillverkare som Toray, Toho och Mitsubishi i Japan leder marknaden, där Toray är den största PAN-baserade kolfibertillverkaren globalt.

1.2 Inhemsk utveckling

Kina började forska om kolfiber på 1960-talet och uppnådde långsamma men stadiga framsteg. Trots utveckling av produkter nära Torays T-300-nivå är den inhemska produktionskapaciteten fortfarande begränsad. Under de senaste åren har företag som Anhui Huawan Carbon Fiber initierat industriell produktion, men det mesta av Kinas efterfrågan på kolfiber tillgodoses genom import, vilket avsevärt begränsar relaterade industrier.

2. Beredning, struktur och prestanda för PAN-baserad kolfiber

2.1 Förberedelseprocess

PAN-baserade kolfibrer tillverkas av polyakrylnitrilfibrer, antingen homopolymer eller sampolymer, genom processer som involverar polymerisation, spinning, föroxidation, karbonisering och grafitisering. Produktionen går ut på att omvandla polyakrylnitrilharts till fibrer, som sedan behandlas för att förbättra deras prestanda och stabilitet.

2.2 Struktur

Kolfibrer har en"oordnad"strukturen av staplade grafitmikrokristaller längs fiberaxeln, vilket påverkar deras prestanda. Avståndet mellan skikten och förekomsten av hålrum påverkar fiberns egenskaper.

2.3 Prestandaegenskaper

Kolfibrer har unika egenskaper såsom hög draghållfasthet, hög modul, låg densitet, hög temperaturbeständighet och korrosionsbeständighet. De uppvisar också utmärkt utmattningsbeständighet, låg termisk expansion, god konduktivitet och biokompatibilitet.

3. Tillämpningar av PAN-baserad kolfiber

3.1 Flyg och rymd

På grund av deras höga hållfasthet-till-vikt-förhållande och styvhet är PAN-baserade kolfiberkompositer avgörande i rymdtillämpningar, inklusive missiler, raketer, satelliter och flygplan.

3.2 Sport och medicinsk utrustning

Kolfiberkompositer används i stor utsträckning i sportutrustning som golfklubbor, tennisracketar och cyklar, såväl som i medicinska implantat och apparater.

3.3 Allmän industri

Inom bilindustrin används kolfibrer i fordonsramar, kolvar och bromssystem. De spelar också en roll i vindenergi, elektronik och infrastruktur, vilket förbättrar styrkan och hållbarheten hos olika komponenter.

4. Standarder för PAN-baserad kolfiber

Kina har etablerat flera standarder för kolfiberprestanda och dess tillämpning i kompositer, såsom:

• GB/T 3362-2005: Dragegenskaper hos flerfilamentgarn av kolfiber.

• GB 3362-1982: Metod för att testa antalet fibrer i kolfiber multifilamentgarn.

• GB 3364-1982: Diameter och motsvarande diametertestmetoder.

• GB/T 3355-2005: Testning av hartsinnehåll i kolfiberarmerad plast.

Dessa standarder säkerställer kvaliteten och konsistensen hos kolfiberprodukter, vilket underlättar deras bredare användning och tillämpning.

5. Framtidsutsikter

Kolfiberindustrin är avgörande för moderna materialapplikationer, övergången från stålets era till en ny tidsålder av kompositmaterial. Kolfibers roll i avancerad teknologi och industriella tillämpningar kommer att fortsätta att växa, drivet av pågående forskning och utveckling. För att uppnå detta måste Kina fokusera på att övervinna tekniska utmaningar och förbättra produktionsprocesserna för att minska beroendet av import och förbättra den inhemska kapaciteten.