Процессы экструзионного формования и экструзионного формования позволяют получать углеродные волокна на основе угольной смолы с меньшим количеством примесей и лучшими реологическими свойствами. 2026-05 2 13540678433

Области применения технологии экструзионного формования расплавом при производстве углеродного волокна на основе угольной смолы

В связи с широким применением высокоэффективных композитных материалов в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность, железнодорожный транспорт и электромобили, требования к характеристикам углеродного волокна постоянно растут. Традиционные углеродные волокна в основном изготавливаются из полиакрилонитрила (ПАН), но их себестоимость производства высока, энергопотребление велико, а источники сырья ограничены. В этих условиях углеродное волокно, изготовленное из угольной смолы, стало важным направлением исследований в области новых углеродных волокон благодаря обилию ресурсов, низкой стоимости и высокой возобновляемости. Однако сама угольная смола содержит много примесей, таких как зола, сульфиды и ионы металлов. Эти примеси склонны вызывать структурные дефекты во время высокотемпературной карбонизации, влияя на механические свойства и стабильность волокна. Таким образом, вопрос о том, как обеспечить эффективное и экологически чистое крупномасштабное производство углеродного волокна на основе каменноугольной смолы, стал техническим узким местом, которое необходимо срочно преодолеть отрасли. Внедрение технологии экструзионного формования методом выдувания расплава открывает новый путь к решению этой проблемы.

Основные принципы и технические характеристики процесса экструзионного формования методом выдувания расплава

Выдувание расплава — это передовая технология формования, при которой расплав полимера растягивается в ультратонкие волокна с помощью высокоскоростного потока горячего воздуха. Суть этого процесса заключается в подаче расплавленной каменноугольной смолы в сопло через прецизионную экструзионную систему, быстром формировании непрерывного потока расплава при высокой температуре, а затем мгновенном растягивании его высокоскоростным горячим воздухом для придания волокнам формы и ориентации. По сравнению с традиционным мокрым или сухим формованием, экструзионное формование методом выдувания расплава исключает необходимость использования растворителей, избегая проблем загрязнения, вызванных остатками растворителей, а также обеспечивает более высокую эффективность производства и лучшую однородность волокон.

Что еще более важно, этот процесс может эффективно способствовать самоорганизации и реконструкции молекул смолы в условиях высоких температур, вызывая высокую ориентацию сегментов полимерной цепи во время растяжения, тем самым улучшая кристалличность и прочность конечных углеродных волокон.

Характеристики и оптимизация предварительной обработки сырья из каменноугольной смолы

Как побочный продукт коксования, каменноугольная смола имеет сложный химический состав, содержащий большое количество неароматических компонентов и гетерогенные структуры, такие как смолы и асфальтены.

Низкое содержание примесей: преимущества экологически чистого производства при экструзионном формовании и экструзионном формовании

Хорошие реологические свойства: ключевая поддержка непрерывного и стабильного формования

Интеграция процессов и инновации в оборудовании стимулируют индустриализацию

Для достижения широкомасштабного применения углеродных волокон на основе угольной смолы, полученных методом экструзии и выдувания расплава, соответствующие предприятия и научно-исследовательские институты активно продвигают интеграцию систем оборудования и интеллектуальную модернизацию. Новая интегрированная линия по производству углеродных волокон методом экструзии и выдувания расплава включает в себя модуль предварительной обработки смолы, двухшнековую экструзионную систему, высокотемпературный массив сопел с постоянной температурой, многоступенчатую зону растяжения горячим воздухом и автоматическое намоточное устройство, обеспечивая общий уровень автоматизации более 95%. Благодаря модульной конструкции параметры процесса могут гибко регулироваться в соответствии с различными техническими характеристиками продукции. Некоторые ведущие предприятия достигли непрерывной производительности более 50 кг в сутки, при этом диаметр волокон стабильно находится в диапазоне 8–15 микрометров, прочность на разрыв достигает 4,2 ГПа, а модуль упругости превышает 220 ГПа, что соответствует международному передовому уровню.

Кроме того, поддерживающая система онлайн-детектирования может в режиме реального времени собирать такие данные, как диаметр волокна, морфология поверхности и структура поперечного сечения, обеспечивая полную прослеживаемость качества на всех этапах процесса. Подчеркиваются экологические преимущества и ценность устойчивого развития. По сравнению с традиционными процессами производства углеродного волокна, углеродное волокно, полученное методом экструзионного формования и экструзионного формования из угольной смолы, демонстрирует более высокую экологичность на протяжении всего жизненного цикла. С одной стороны, угольная смола получается из побочных продуктов переработки угля и относится к типичной категории использования ресурсов промышленных твердых отходов, что эффективно снижает нагрузку на утилизацию отходов в период энергетического перехода; с другой стороны, этот процесс не выделяет растворителей, а отработанные газы в основном состоят из небольшого количества летучих органических соединений (ЛОС), что позволяет достичь степени очистки более 99% с помощью каталитической системы сжигания. По оценкам, углеродный след на тонну произведенного углеродного волокна снижается примерно на 47% по сравнению с методом на основе полиакрилонитрила (ПАН), а энергопотребление сокращается более чем на 35%. В рамках стратегии ?двойного углерода? этот технологический путь не только соответствует направлению развития экологически чистого производства, но и обеспечивает ключевую поддержку для независимого управления и низкоуглеродной трансформации цепочки производства углеродного волокна в Китае. Будущие тенденции развития и технологические проблемы сосуществуют. Несмотря на значительные прорывы, достигнутые в технологии производства углеродного волокна из угольной смолы методом экструзионного формования и экструзионного формования, остается ряд ключевых технических проблем. Например, дальнейшее улучшение однородности и стабильности партий сырья из смолы остается решающим фактором, ограничивающим стабильность качества продукции. При получении ультратонких волокон (<10 мкм) все еще требуется оптимизация износостойкости и теплопроводности фильер. Кроме того, контроль атмосферы и проектирование кривой повышения температуры на стадии высокотемпературной карбонизации оказывают решающее влияние на эволюцию микроструктуры волокна, требуя усовершенствованного моделирования с использованием многомасштабного моделирования и алгоритмов искусственного интеллекта. В будущем, благодаря глубокой интеграции нанотехнологий, онлайн-систем мониторинга и платформ цифровых двойников, ожидается, что процессы экструзии расплава и экструзии расплава перейдут от ?ориентированных на опыт? к ?ориентированным на данные?, что позволит использовать углеродные волокна на основе угольной смолы в высокотехнологичных и специализированных приложениях.