Op polyacrylonitril (PAN) gebaseerde koolstofvezel is een hoogwaardig materiaal dat veel wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de bouw, de sport, de automobielsector en de medische sector. Dit artikel bespreekt de ontwikkelingsgeschiedenis en de huidige status van op PAN gebaseerde koolstofvezel in binnen- en buitenland, de voorbereiding, structuur, eigenschappen en toepassingen ervan. Ook worden relevante normen en testmethoden besproken en wordt een toekomstperspectief geboden.

Inleiding tot op PAN gebaseerde koolstofvezel

Koolstofvezel is een geavanceerd materiaal dat bekend staat om zijn superieure mechanische eigenschappen. Het combineert de inherente eigenschappen van koolstof met de flexibiliteit en verwerkbaarheid van textielvezels, waardoor het een essentiële versterkende vezel is. Met een soortelijk gewicht van minder dan een kwart van staal en een treksterkte van doorgaans meer dan 3500 MPa, bieden koolstofvezelcomposieten een sterkte die 7 tot 9 keer zo groot is als die van staal en een elastische modulus variërend van 23.000 MPa tot 43.000 MPa. Deze eigenschappen maken koolstofvezel tot een veelbelovend materiaal in technische toepassingen.

Op PAN gebaseerde koolstofvezels, afgeleid van polyacrylonitril, asfalt of viscose, ondergaan processen zoals pre-oxidatie, carbonisatie en grafitisering, resulterend in vezels met een koolstofgehalte van meer dan 90%. Deze vezels vertonen onder andere hoge sterkte, hoge modulus, lage dichtheid, weerstand tegen hoge temperaturen, corrosieweerstand, wrijvingsweerstand, geleidbaarheid en lage thermische uitzetting. Op PAN gebaseerde koolstofvezel wordt het meest gebruikt en is goed voor meer dan 90% van de productie vanwege het eenvoudige productieproces en de uitstekende uitgebreide prestaties.

1. Ontwikkelingsstatus van op PAN gebaseerde koolstofvezel

1.1 Internationale ontwikkeling

De ontwikkeling van op PAN gebaseerde koolstofvezels begon in 1959 toen het Japanse Akio Shindo een proces patenteerde voor de productie van hoogwaardige koolstofvezels uit polyacrylonitril. Tegenwoordig wordt de productie van op PAN gebaseerde koolstofvezels gedomineerd door grote kabelvezels uit de VS en kleine kabelvezels uit Japan, die ongeveer 80% van het mondiale aanbod voor hun rekening nemen. Grote producenten zoals Toray, Toho en Mitsubishi in Japan zijn marktleider, waarbij Toray wereldwijd de grootste op PAN gebaseerde koolstofvezelfabrikant is.

1.2 Binnenlandse ontwikkeling

China begon in de jaren zestig onderzoek te doen naar koolstofvezels en boekte langzame maar gestage vooruitgang. Ondanks de ontwikkeling van producten die dicht bij het Toray-niveau van de T-300 liggen, blijft de binnenlandse productiecapaciteit beperkt. De afgelopen jaren hebben bedrijven als Anhui Huawan Carbon Fibre de industriële productie geïnitieerd, maar het grootste deel van de Chinese vraag naar koolstofvezels wordt gedekt door import, waardoor aanverwante industrieën aanzienlijk worden beperkt.

2. Voorbereiding, structuur en prestaties van op PAN gebaseerde koolstofvezel

2.1 Voorbereidingsproces

Op PAN gebaseerde koolstofvezels worden gemaakt van polyacrylonitrilvezels, homopolymeer of copolymeer, via processen die polymerisatie, spinnen, pre-oxidatie, carbonisatie en grafitisatie omvatten. Bij de productie wordt polyacrylonitrilhars omgezet in vezels, die vervolgens worden behandeld om hun prestaties en stabiliteit te verbeteren.

2.2 Structuur

Koolstofvezels zijn voorzien van een"ongeordend"structuur van gestapelde grafietmicrokristallen langs de vezelas, wat hun prestaties beïnvloedt. De afstand tussen de lagen en de aanwezigheid van holtes beïnvloeden de eigenschappen van de vezel.

2.3 Prestatiekenmerken

Koolstofvezels bezitten unieke eigenschappen zoals hoge treksterkte, hoge modulus, lage dichtheid, weerstand tegen hoge temperaturen en corrosieweerstand. Ze vertonen ook een uitstekende weerstand tegen vermoeidheid, lage thermische uitzetting, goede geleidbaarheid en biocompatibiliteit.

3. Toepassingen van op PAN gebaseerde koolstofvezel

3.1 Lucht- en ruimtevaart

Vanwege hun hoge sterkte-gewichtsverhouding en stijfheid zijn op PAN gebaseerde koolstofvezelcomposieten cruciaal in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, waaronder raketten, raketten, satellieten en vliegtuigen.

3.2 Sport- en medische apparatuur

Koolstofvezelcomposieten worden veelvuldig gebruikt in sportuitrusting zoals golfclubs, tennisrackets en fietsen, maar ook in medische implantaten en apparaten.

3.3 Algemene industrie

In de auto-industrie worden koolstofvezels gebruikt in voertuigframes, zuigers en remsystemen. Ze spelen ook een rol in windenergie, elektronica en infrastructuur, waardoor de sterkte en duurzaamheid van verschillende componenten worden verbeterd.

4. Normen voor op PAN gebaseerde koolstofvezel

China heeft verschillende normen opgesteld voor de prestaties van koolstofvezels en de toepassing ervan in composieten, zoals:

• GB/T 3362-2005: Trekeigenschappen van multifilamentgarens van koolstofvezels.

• GB 3362-1982: Methode voor het testen van het aantal vezels in multifilamentgarens van koolstofvezels.

• GB 3364-1982: Testmethoden voor diameter en gelijkwaardige diameter.

• GB/T 3355-2005: Testen van het harsgehalte in met koolstofvezel versterkte kunststoffen.

Deze normen garanderen de kwaliteit en consistentie van koolstofvezelproducten, waardoor een bredere acceptatie en toepassing ervan wordt vergemakkelijkt.

5. Toekomstperspectief

De koolstofvezelindustrie is cruciaal voor moderne materiaaltoepassingen, in de overgang van het staaltijdperk naar een nieuw tijdperk van composietmaterialen. De rol van koolstofvezel in geavanceerde technologieën en industriële toepassingen zal blijven groeien, aangedreven door voortdurend onderzoek en ontwikkeling. Om dit te bereiken moet China zich concentreren op het overwinnen van technische uitdagingen en het verbeteren van productieprocessen om de afhankelijkheid van import te verminderen en de binnenlandse capaciteiten te vergroten.