Creșterea productivității în producția de fibre de carbon

În ciuda potențialului remarcabil de construcție ușoară, fibrele de carbon sunt rareori utilizate în aplicații de masă în zilele noastre. Principalul motiv pentru aceasta este prețul ridicat de 15-25 de euro/kg, care se datorează procesului de producție care consumă mult energie și, prin urmare, costă intensiv [1]. Un factor principal de cost este procesul de stabilizare cu perioade lungi de ședere la temperaturi ridicate.

Modificări ale culorii fibrelor de ieșire în timpul producției de fibre de carbon: o reducere a timpilor de ciclu contribuie semnificativ la reducerea costurilor și, astfel, la o eficiență economică îmbunătățită a componentelor CFRP (plastic armat cu fibră de carbon). Imagine: ITA, RWTH Aachen

Timpii de ședere sunt între 60 min și 100 min la temperaturi de până la 280 ° C [2; 3]. O soluție pentru scurtarea timpilor este dezvoltarea de profile de proces care să fie adaptate la proprietățile chimice ale materiei prime. La Institutul pentru Tehnologie Textilă (ITA) de la Universitatea RWTH Aachen, s-a obținut un timp de stabilizare de 22 de minute pe instalațiile pilot continue. Proprietățile mecanice ale fibrelor de carbon sunt comparabile cu fibrele de carbon ale modulelor industriale standard (rezistența la tracțiune: 4100 MPa, modulul E: 220 GPa).

Importanța CFRP pentru construcții ușoare

Reducerea emisiilor de CO2 prin construcție ușoară este o direcție centrală de dezvoltare în prezent. Prin urmare, materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) sunt din ce în ce mai utilizate ca înlocuitor pentru metalele clasice. Comparativ cu metalele clasice precum aluminiul, CFRP-urile oferă un raport rezistență/greutate de 10 ori mai mare, ceea ce le face ideale pentru aplicații de construcții ușoare.

În comparație cu oțelurile cu rezistență ridicată, care sunt adesea utilizate în sectorul auto, raportul preț-rezistență al CFRP este, de asemenea, de 10 ori mai mare. CFRP-urile au fost utilizate până acum în aplicații de nișă, cu accent pe reducerea greutății. Unul dintre principalii factori de cost este prețul ridicat al fibrei de carbon, care se datorează procesului de producție care necesită mult timp și energie [2].

Figura 1 prezintă cererea mondială istorică și prognozată pentru fibrele de carbon din 2008 până în 2020 [4].

Figura 1. Prognoza de creștere a cererii globale de fibre de carbon (* estimări), conform [4]. Imagine: ITA, RWTH Aachen

Oportunități de reducere a costurilor

Una dintre cele mai ieftine fibre de carbon este vândută în prezent de Zoltek (Bridgeton/SUA) la un preț de 14 euro/kg [6]. Cu toate acestea, prețul scăzut este obținut prin utilizarea unor „remorci grele” de volum mare (50k) cu proprietăți mecanice reduse și calitate scăzută a fibrelor.

În producția de fibre de carbon, stabilizarea termică cu timp de proces lent de până la 100 de minute la temperaturi de până la 280 ° C este limitativă [3]. Motivul principal pentru perioadele lungi de proces sunt reacțiile exoterme determinate de difuzie care au loc în secțiunea transversală a fibrelor [2]. Așa cum se arată în Figura 2, stabilizarea reprezintă aproape 50% din costurile energetice pentru conversia termică [7].

Figura 2. Defalcarea consumului de energie în timpul producției de fibre de carbon [5]. Imagine: ITA, RWTH Aachen

• raport de preț-performanță clar dezavantajos al CFRP în comparație cu oțelurile de înaltă rezistență sau din aluminiu, precum și cu materialele plastice armate cu fibră de sticlă,
• fără utilizare în masă a fibrelor de carbon - potențial de construcție ușor evident,
• Motivul costului este stabilizarea termică datorită timpilor de proces lungi.

Un obiectiv central al cercetării fibrelor de carbon la ITA este reducerea timpului procesului de stabilizare pentru a reduce prețul fibrei de carbon. Atunci când este implementat la scară industrială, raportul preț-performanță al CFRP este îmbunătățit comparativ cu alte materiale de armare și astfel este posibilă utilizarea în masă a fibrelor de carbon pentru aplicații ușoare de construcție.

Stadiul tehnicii în producția de fibre de carbon

În standardul industrial, fibrele de carbon sunt fabricate din polimer poliacrilonitril (PAN). PAN este mai întâi filat în „precursori” utilizând un proces de filare cu solvent. Mii de filamente individuale sunt combinate pentru a forma un pachet de fibre. Aceasta este urmată de conversia termică (stabilizare și carbonizare) a precursorilor PAN în fibre de carbon.

În timpul stabilizării, precursorii PAN devin incombustibili și infuzibili prin restructurarea lanțurilor moleculare pentru a forma o structură inelară piridină. Aceasta pregătește precursorii pentru carbonizarea ulterioară. În timpul carbonizării, conținutul de carbon este crescut treptat la peste 90%. Se formează structura caracteristică a inelului hexagonal a atomilor de carbon, ceea ce duce la proprietățile mecanice ridicate ale fibrelor de carbon.

În cele din urmă, fibrele de carbon sunt supuse unui tratament ulterior cu o aplicație de dimensionare. Dimensionarea maximizează aderența și, prin urmare, transmiterea puterii între plasticul matricei și fibrele de carbon. Protejează fibrele de abraziune la fabricarea suprafețelor textile. În ceea ce privește tehnologia de proces, filarea solventului este separată de conversia termică datorită vitezelor de producție semnificativ diferite. Stabilizarea, carbonizarea și post-tratamentul au loc în succesiune directă. Figura 3 prezintă schematic diferitele etape de producție [1-3].

Figura 3. Reprezentarea schematică a lanțului de proces pentru producția de fibre de carbon. Imagine: ITA, RWTH Aachen

La scară largă, stabilizarea a fost până acum reprezentată de patru până la douăsprezece cuptoare, fiecare dintre ele având un profil de temperatură izotermă. Temperatura crește de la primul la ultimul cuptor cu salturi constante, timpul de staționare în cuptor fiind menținut constant.

Un aspect central al siguranței stabilizării este formarea de cianură de hidrogen toxică, care trebuie descărcată și arsă cu un sistem de evacuare. Mai mult, reacțiile de stabilizare sunt foarte exoterme. Pentru a asigura stabilitate și fiabilitate ridicate ale procesului, energia de reacție exotermă trebuie controlată și disipată. Timpul minim de stabilizare posibil este determinat de gradul de stabilizare a fibrelor necesare procesului și fiabilitatea operațională a sistemului [1; 2].

În plus față de diferiți parametri de sistem, următorii trei parametri de proces sunt semnificativ relevanți pentru controlul procesului de stabilizare:

• temperatura,
• Timp de loc,
• Întinderea.

În stadiul tehnicii industriale, timpul de ședere în diferite niveluri de temperatură (cuptoare diferite) este identic. În industrie, se realizează în prezent un timp total de stabilizare de aproximativ 60 de minute până la 100 de minute, în funcție de producătorul respectiv și de know-how-ul existent.

Obiectivul și abordarea reducerii costurilor

Scopul lucrării de cercetare este de a reduce timpul necesar procesului pentru stabilizare. Prin urmare, ar trebui căutată o reducere a costurilor în producția de CFRP. Se presupune că proprietățile mecanice ale fibrelor sunt reduse datorită reducerii timpului de ședere. Pentru a obține o aplicare industrială a rezultatelor, este esențial să se obțină o anumită calitate a fibrelor.

Obiectivul pentru proprietățile mecanice este o fibră de tipul "T300" de la producătorul japonez Toray Industries, Inc. cu o rezistență la tracțiune de 3,5 GPa cu un modul E de 230 GPa și o alungire la rupere de 1,5%. Această fibră este una dintre cele mai ieftine fibre de carbon disponibile pe piață cu proprietăți acceptabile. Este utilizat pe scară largă în componentele structurale secundare din aeronave, în sectorul auto și în sectorul sportului și al agrementului.

În abordarea aleasă, timpul de ședere în diferite niveluri de temperatură este setat separat unul de celălalt. Mai precis, parametrii procesului temperatura, timpul de ședere și întinderea sunt adaptate cursului reacției și proprietăților chimice și termice ale precursorului în diferitele zone de temperatură. Deoarece proprietățile diferiților precursori sunt foarte diferite, la ITA a fost dezvoltată o abordare metodică, pe baza căreia pot fi dezvoltați parametrii procesului pentru un precursor existent.

O creștere a vitezei de producție a stabilizării este însoțită de o viteză de producție mai mare a carbonizării. Timpul de staționare al carbonizării este astfel redus și cu abordarea aleasă. Prin urmare, procedura ia în considerare și dezvoltarea parametrilor procesului pentru carbonizarea ulterioară, care sunt dependenți de controlul procesului respectiv al stabilizării.

Rezultate

Rezultatul a fost un timp de stabilizare de 22 de minute cu stabilitate și fiabilitate a procesului. Pentru aceasta a fost utilizat un precursor industrial de la Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. Cu un timp de stabilizare de doar 15 minute, a fost, de asemenea, posibil să se obțină un grad de stabilizare cu care este posibilă carbonizarea și, astfel, producția de fibre de carbon. Cu toate acestea, cu timpi de ședere atât de scurți, se dezvoltă cantități mari de gaze toxice într-un timp scurt, astfel încât nu poate fi asigurată o fiabilitate suficientă a procesului.

Cu un timp de oprire de 22 de minute, rezistența la tracțiune este de 4,1 GPa cu un modul elastic de 220 GPa și o alungire la rupere de 1,8%. Proprietățile mecanice obținute sunt, prin urmare, la și peste nivelul fibrelor industriale obișnuite de carbon (de exemplu, Toray T300, Toho Tenax HTS 40). Avantajul major al abordării dezvoltate este utilizarea tehnologiei de instalații convenționale existente, care permite transferul metodei pe liniile de producție industriale fără costuri de investiții suplimentare.

În funcție de procesul de producție anterior, se poate realiza o reducere a costurilor de producție de 3 euro/kg CF. Sunt concepute două variante diferite: Pe de o parte, punerea în funcțiune a unei noi linii de producție cu cuptoare mai mici - și astfel reducerea costurilor de investiții. Pe de altă parte, accelerarea vitezei de producție a liniilor de producție existente.

Concluzie și perspectivă

Rezultatele obținute sunt rezumate în Figura 4.

Figura 4. Rezultate obținute cu un timp de stabilizare de 22 de minute. Imagine: ITA, RWTH Aachen

Cu procedura dezvoltată, se poate obține o creștere a productivității de peste 300% cu o calitate a fibrelor obișnuită pe piață. Rezultatele de până acum au fost obținute pe o scară pilot-plantă. Următorul pas este, prin urmare, transferul rezultatelor sau transferul metodelor la o dimensiune a instalației pe o scară pilot, pentru a confirma fezabilitatea industrială.

---