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江 蘇 大 學 繼 續(xù) 教 育 學 院 讀 書 報 告 課程名稱： 干 燥 機（組）設 計 進行日期：2007 年7 月20 日至2007 年11 月20 日 學生姓名： 許 靜 波 專業(yè)班級： 05 機械制造及自動化 指導教師： 張斌副教授 所屬站點： 泰 州 站 長： 讀 書 報 告 1.中國碳纖維需求及市場，目前生產及今后發(fā)展 1.1國內需求 近年來，國內的復合材料產業(yè)和事業(yè)有了蓬勃的發(fā)展。國際上在2005年初的市場動 態(tài)（Market Trends）分析中明確指出：“現在世界上最大的潛在復合材料制造商和終端 商戶是中國”。他們做出這一結論當然是有一定事實根據的。據統(tǒng)計，目前中國玻纖及 玻璃鋼制品的產量均已達到世界總產量的25%以上，穩(wěn)占世界1/4的產耗量。那么中國碳 纖維的耗量究竟有多大呢？由于歷來缺乏詳細的統(tǒng)計分析，國內過去鮮有準確的評 和 。最近國際上有 料 分析指出，中國大 的碳纖維量 4500t/a， 上 的 00 t/a， 國已穩(wěn)占世界碳纖維耗量的1/4以上。 以來 們 了中國的這一 耗量， 以 和分析 實。中國的碳纖維 耗在 品上， 是 動 品上。1?? 年 的碳纖維耗量在2200 t/a￠￡，?現在￥有 00 t/a，?§的1500 t/a以上均已currency1到大 。'“這?一?事實，世界上50%以上的復合材料?fifl –? ??· –和???均產?中國大 。?”?…‰? ?有 `′??ˉ?是世界上最 大的復合材料· –˙，¨ ??耗碳纖維達500 t/a以上??” ?結? ˇ— 一 耗碳纖維 在 00 t/a以上， 以 國大 碳纖維4500 t/a的總耗量是一? 的 。 這一耗量 世界的 和 ， 碳纖維? a于近 年 分析 國 ??的?o，”2004年在 國 的世界碳纖維展 ?上， 有“中國是一??大的 市場”。 1.2國內發(fā)展狀況 國碳纖維發(fā)展 20世 0年?中 ， 過 0?年的發(fā)展，碳纖維 ?到有， 制到?產? 了一定的 ， 總的來說，國內碳纖維的 制與?產水平還較 ， 目前¨相當于國§20世 0年?中?末 水平。 1.2.1 PAN 基碳纖維 國PAN基碳纖維的 發(fā) 制已有 0多年歷史。1?60年初， 春應 化學 究 已 著手于PAN 基碳纖維的 究，1? 0年?初已完 化中試裝置。其 ，上…合 纖維 究 ?中國科學院山西煤化 等單位 展 制工作，并于1?80年?中 通過了中試。 進入產業(yè)化試?產階段， 了 百kg/a到 t/a的小試裝置和 十t/a的中試 ?產裝置?？傊?， 國碳纖維 發(fā)?產 步 晚， 發(fā)展延緩，總?產 力還 及發(fā)達 國家或地區(qū)的一家??。2002年國內PAN基碳纖維需求量約 22 5 t，其中體育 領 域需求量 1? 5 t，占8 %?一般產業(yè)需求量 250 t，占11%?軍工領域需求量 50 t，¨占2%。200 年 月10日，英國AMEC/ACE（艾麥克）??與中國安徽華皖碳纖維有 ??于年產量 PAN原絲500 t?碳纖維200 t（均以12 K 計算）的技術currency1讓合同在 上…正式簽約，計劃將于2005年初投產。 1.2.2 瀝青基碳纖維 世界瀝青基碳纖維的?產 力較小，國內瀝青基碳纖維的 究和 發(fā)較早， 在 2 發(fā)??產及應 ??于國§相比有較大的差距。1? 0年?初，上…焦化˙以煤焦油 原 料 功地制?了碳纖維， 因試驗結果 穩(wěn)定，產品質量 ??終止。1? ?年，中國科 學院山西煤化 制瀝青基碳纖維，1?85年通過小試。在?基礎上，冶金部在硯 籌 了 材料 究 ，?產通 級瀝青碳纖維，規(guī)模 0～100t/a， 做飛機的剎?片。 1??0年?初擴大到150t/a。 由于設備未過 ，??改造 金，處于停產 態(tài)。 山 細化工有 ??投 1.2 ，于1??0年?初 國As and（ ） 油?? 進了 ?產設備，?產 力 200 t/a，1??4年動工 設，1??5年投產。 近年來，國內碳纖維的產量 有 ， 與 的需求相比 有較大的差距。 國內 有 十 家 業(yè) 入碳纖維的 發(fā)與?產， 多 均以 終， 出 了 領域?！?的 家” ˙?山 ?￠?上… ˙?大 ￡科等， 以來 ?國際￥?的§currency1， 作'“，?步維'等，有?˙家進?年來實際上已 停產。據 完 統(tǒng)計，國內的總產 大約在 50 t/a，實際產量 fi100 t/a。其中最大的?產˙家 應 fl“大 ￡科碳纖維有 ??“，已 2 ?0 t/a級產 的?產–，?有180 t/a的產 。 ??·的投 這2 ?產–。 ??還? 設備改造???產品質 量?原絲?應等?多“?。 國內有 ”家的多??…，國家“十‰“ ?在86 計劃投入一? 金， 于碳 纖維及其原絲的 。應 說5年過去 技術上? 了一定的進展，技術 果正在currency1`， ′ 了 一?的 ˙，”山 ?…的?展，ˉ?˙¨的 通?安徽??的華皖等??， 其中 有? 進 目。初步 來，以?…?展纖維有 ??產品的? 較?，基ˇ 達到T 00的? 水平，— 力學? ?工 ? ? ?處 ?分 ?等 合? ，這 是 小的 。 們 一 求過?，有了這?水平的碳纖維 初步 fi國內§的 軍 需 ，結?設計上 有20%以上的 果。復合材料技術應 求 ?進 （ tea tea）， 目 求”??式“發(fā)展是 現實的。當然 應指出日ˇT 00 的? 目前已是? 了， 在o 領域大有應 ， 已 近停產，?? ?的纖維早已產 ?并已大量應 ， 以 們還有進一步 世界 進水平的??。還應指出，目前國內 ˙家實際上均處于中試 大階段， 未達到產業(yè)規(guī)模，因?在產量上 fi國 內的需求。 ˙家 ?有擴產計劃， 實現 來并 ，目前的實際進展 并 ?” ?。 2. 何 為 碳 纖 維 2.1 碳 纖 維 ? ? 材 料 之 ? 碳纖維是由一 碳量在?5%以上的 纖維材料， 是 一? 碳的有機纖維，” 腈綸絲?瀝青及粘膠纖維等做原料，跟塑料樹脂結合在一 ， 在惰?氣體中， 碳化 ? 的 纖維材料。由于碳纖維在物 ? 上具有 度大?模量??密度 ?–膨脹 系 小等 點（具體比較見 1）， 以?之 材料之?，因? 以廣泛應 于飛機制 造等軍工領域?風力發(fā)電葉片等工業(yè)領域?GOLF 棒等體育 領域。 2.2碳纖維的分類與? 碳纖維按照 途 分 ?類：1?24K以 的 宇o級小絲束碳纖 維（1K的 義 一 碳纖維絲束 1000根單絲），2?48K以上 工 工業(yè)級大絲束碳纖 3 維 。 ?管碳纖維均是有原料纖維 ?溫碳化? ， 根據基礎原料 同 以分 三類： 1?以聚丙烯腈（PAN） 原料?溫碳化′ 的碳纖維 PAN基碳纖維?2?以瀝青 原料 ?溫碳化′ 的碳纖維 瀝青基碳纖維 ?以粘膠纖維原料?溫碳化′ 的碳纖維 粘膠 基碳纖維。由于PAN基的碳纖維在 度上 優(yōu)于瀝青基?粘膠基碳纖維，在 世界的碳纖 維?產中占有?0%的比?，具有絕對?的currency1倒優(yōu)勢，因? 們 邊 討論的碳纖維?業(yè)均 是 指 PAN 基 碳 纖 維 。 2. 碳纖維原絲??碳纖維?產的核心 ?產碳纖維的?產工 流程?言，對于碳纖維的 ?產工 ，當?產聚丙烯腈[PAN]基碳纖維的 候，被? “母體”的聚丙烯腈纖維 通過聚合和紡紗工 工聚丙烯腈? 。然 ，將這?母體 入氧化爐中在200到 00 攝氏度進?氧化。另§，還 在碳化爐中，在溫度 1000到2000攝氏度 進?碳化制 碳 纖 維 。 ?管碳纖維?產流程相對較短， ?產壁壘很?，其中碳纖維原絲的?產壁壘是“ 中之“，具體 現在碳纖維原絲的噴絲工 ?聚丙烯腈聚合工 ?丙烯腈于溶劑及 發(fā) 劑的配比等。目前世界碳纖維技術 掌握在日ˇ的 麗??? 邦Tenax ?和三菱 造絲 ?，這三家 業(yè)技術 格保密，工 “以§露，?其他碳纖維 業(yè)均是處于 階 段 ， ? 產 工 在 摸 索 中 完 善 。 國碳纖維的?產和使 尚處于 步階段, 國內碳纖維?產 力¨占世界?? 碳 纖維總產量的0.4％￠￡,國內 量的?0％以上?進口。?PAN 原絲質量一直是制約 國 碳纖維工業(yè)規(guī)?；?產的瓶頸。另§,碳纖維 以來被 戰(zhàn)略物 ,發(fā)達國家一直對 §實?封鎖。因?,有 ”家認 , 化基礎 究是創(chuàng) 之ˇ, 是發(fā)展國內碳纖維工業(yè)的 根ˇ出路。山 ?…‰?漁具 ?有 ?? 事·竿?產，碳纖維預浸布的規(guī)格有 0? 。根據發(fā)展趨勢，有 向上游 PAN基原絲和碳纖維發(fā)展。 3. 碳纖維用聚丙烯腈原絲制備技術的研究進展 3.1 PAN原絲的共聚組成設計 優(yōu)異的碳纖維 原絲應 具有耐熱???孔隙?造少? ?缺陷少?結?致密?拉 伸??等 點。 了 到優(yōu)異的 PAN 原絲，選擇 于共聚合的單體類 是很 的。 了使纖維具有一定的耐熱?， 第一單體 AN 摩fi分 （x）應在 ?5% 以上否則前驅 體的耐熱? fi， 到的碳纖維的?造 完 ，在碳化 聚合體 化 ? 的 同 度 ，“以 到? 度碳纖維。 有 基? 基? 基? 基等 水? ? 的 烯系化合物，作 PAN 的共聚單體在紡絲 進 ˇ絲 ?造細 化， 以使 前驅體纖維的孔隙?造 少， ???碳纖維的拉伸 度， 有 基的 烯化合物 同 前驅體纖維 的預氧化 進?和 水?，這類 烯化合物 有機 和 們的 金 ? 以及其 基 類，丙烯 ， 基丙烯 等，其中丙烯 ? 基 丙烯 ， 較?， ¨以少量進?聚合 ??聚合體的 水?，同 有 進預氧化的 果。另§， 有 基的 烯化合物的共聚合 x 在 0. % 5.0% 較?， fi 0. %，共聚合體的 水? fi， 過 5.0%，共聚合體的耐熱? 。 ˇ? 4 水?的 果￠ ， 以在聚合 氣中和 基的一部分或 部，′ 進一步 ??共聚體的 水?， ?′ 致密的纖維結??！惫?中和 ， 則在拉伸 ? 有?向度的?? 明 ，耐熱? fi，碳化 單絲 的并絲 發(fā)?。在預氧化 有 進氧 ￡過?的 烯化合物 ?和 類，”丙烯 正丙 ? 基丙烯 正 ￥ ? 基丙烯 異￥基 ? 異￥基 等， 丙烯 ? 基丙烯 ? 等 碳 5 以上的具有蓬?§currency1的 ?和 較?， 其中 的異丙 ， 正￥ ， 異 ￥ ?。當這類在預氧化中具有 進氧￡過?的 烯化合物的 x 0.5% 5.0% ， 使是致密的前驅體纖維，在預氧化 氧 '￡到單纖維的內“，使纖維 ? ???向的預氧化?應差 少。共聚合 x fi 0.5%，氧 ￡過?“以發(fā)fi， 過 5.0%，共聚合體的耐熱? 。 3.2 紡絲方法 PAN 原絲的紡絲?fl 有 –紡絲??式紡絲??式紡絲???式紡絲等?fl。 ?式紡絲?fl是將紡絲原· 噴絲 噴絲孔§出于?溫的氣體??中，使溶劑?發(fā)? ”?ˇ化的?fl，? …度?溶劑的?發(fā)…度制約。另§，‰ ?fl?產的纖維溶劑 ?，”果纖維中 `少量溶劑，在預氧化及碳化等一系′熱處 過程中，溶劑fi 發(fā)或分??使纖維粘結，并產?缺陷， 碳纖維發(fā)?或ˉ絲多? 度 。?式紡絲? fl是紡絲原· 噴絲孔§出之 直 進? ˇ，?著? …度的 ，紡絲?伸的˙ ??，在噴絲孔處 產? 絲， 以??紡絲…度是有 度的。目前，國內大多‰ ? 式紡絲?fl，¨制 ?的 ˇ…度和拉伸?fl等 以 到? 度的碳纖維。??式紡 絲?fl是紡絲原· 噴絲 噴出之 過一小段（ 10? ） 氣“，然 '進入 ˇ ?。實質的紡絲?伸在 氣“內以原·流′式被? ， 以在?…? ??比?fl紡絲 較 ， fl的 點是噴絲孔孔?較大（0.10 0. 0 ）， 使?粘度紡絲· 纖。 氣“是有 的拉伸區(qū)， ¨ ??紡絲…度， ?ˇ 到? 度???向的原絲， 原絲的結?均—致密， 度 達到 .62 10.88?N/dtex，比?fl原絲的 度 4.? 6.5 ?N/dtex ? 50% 以上，因? 到? 度的碳纖維‰ ??fl較?。 3.3 紡絲工藝 . .1 紡絲原·及 ˇ ? 紡絲 的紡絲原·中共聚合體質量分 （ ） ??， 在 ˇ過程中和 劑 的置 量?少，因?? 致密，對于??碳纖維的 度是有 的。聚合體的 22% 5%， ? 24% 0%，” 過 5%，紡絲原·的粘度過?， 產? 膠化，紡絲拉 伸?和 紡? 。 fi22%，則纖維致密? ， 使拉伸 ??纖維的?向度， ˇ耐熱? fi。 以相對分 質量 以? ?相對分 質量? 以 進?紡絲較?。 在 45 ，紡絲原·粘度設定在 0 100 Pa s 的 ?內， 聚合物的 紡?和纖維 的品質?較?。通過 聚合物的相對分 質量來¨制紡絲原·的 和粘度， 以在 紡?的 ，細 ˇ?造， 到致密?較?的纖維。 PAN 共聚合體的 相對分 質量， 以??制絲的拉伸?， 預氧化處 的耐熱? fi， 使單纖維 粘 ， 碳纖維的 度 。 以碳纖維 PAN 系前驅體纖維的共聚合體的￠ 5 粘度 少 1. 以上（ ” ? 51 6248ˉ? ） ， 的 1.5 以上， 最? 1. 以上， 5.0 以 。”果￠ 粘度 到 1.5 以 ，則纖維的耐熱? ， 預氧化 單 絲粘 程度 ， ?向度“以??。纖維的密度“以 過 1.1 0，這?的纖維?有孔隙 在，同 ?將缺陷 碳纖維，? 碳纖維 度的??。 ˇ ， 是紡絲原· 的共聚合體在 ˇ?中進?相分a′ 初?纖維的過程，因?， ˇ 對前驅體 纖維?碳纖維的?造′ 以及拉伸 ?有很大的 。 ˇ溶劑通 ‰ M O? MF? MA??Na CN??nC 等的水溶·， 紡???， ˇ…度o的 M O? MF? MA? 較?， M O ?。 到孔隙?造少，致密??的 ˇ絲， 以¨制 ?的 ˇ…度和拉伸?fl。 ˇ…度，在纖維 ?′ “很 ，′ 的 纖維結?致密。 ˇ…度過于緩 ，??紡絲…度的“度 大，另一??， o ˇ …度，則 ˇ絲的內部?造 ， 到? 度的碳纖維。 ˇ?的溫度 ?量保? 溫較?， 一般 20 以 ，10 以 最?。 . .2 拉伸工 制?? 度的碳纖維，拉伸工 著 ?作 。纖維水 應進?拉伸，以 使 原絲中 PAN分 currency1 纖維??向 ′， 以進一步??其?向度，改善纖維的力學? 。 原絲中 入共聚 分及??拉伸溫度?有?于 PAN 分 currency1的`動，并使纖維的拉伸˙ 到??。 一?拉伸的˙ 有 ，通 ‰ ??或多?拉伸來達到。一?拉伸一般在 ??致密化前于熱水?中進?，通 在 50 ?8 的拉伸?中進?拉伸 2 6 ˙。?? 拉伸一般在??致密化 于過熱? 中進一步拉伸。? ?伸通 將? 通入到拉伸管 中進?拉伸較?，在拉伸管內部‰ 有絲 通過口的密封材料分 預熱區(qū)和 熱區(qū)， 分 ¨制 區(qū)的溫度進?拉伸， 這? 以改善拉伸的穩(wěn)定?。在拉伸 ， 一般 熱區(qū) 的currency1力比預熱區(qū)? 0.02 4.?MPa， ?currency1力差 于 0.2MPa， 預熱區(qū)的絲 產?拉 伸 力斑和ˉ絲。 currency1力差 過4.?MPa，在拉伸 發(fā)?絲 的 現象。? 拉伸˙ 通 ¨制在 4 6 ˙，總拉伸˙ 16 ˙，往往?決于? 拉伸之前的拉伸˙ ， ?段以上的多段拉伸有?于 度的??。在? ?伸過程中應保 ?伸環(huán)境具有一定的 ?度，使丙烯腈絲 有少許水分 改善絲 的 塑化 果， ???纖維的拉伸?。 絲 中的水分過 ，塑化 果 ?，拉伸? ， ? 單絲 裂或產?ˉ絲?絲 的水分 過?，則在 的??過程中水分?發(fā)負荷 大。 以，一般拉伸 絲 水 的 ¨制在 2% 0%這一 ?內。拉伸 絲 的 力保?在 0.088 0.88 ?N/dtex 較?， 0.1 0. 06?N/dtex ? ?。拉伸 力 于 0.088?N/dtex，則? currency1力過?（溫度 過?）?因 發(fā)?拉伸 裂的現象。拉伸 力 過 0.88 ?N/dtex 則? currency1力過 （ 溫度過 ） 發(fā)?拉伸 裂??。 了使原絲在預氧化過程中 產?燒結斑，纖維的纖 度¨制在 0.11 1.11dtex 最?， 這? 使碳纖維的 度大幅度??。 . . ??致密化 了制 ? 度的碳纖維，制備致密??的原絲是￠ 的，日ˇ”?對原絲結 ?致密化及其燒 碳纖維的質量之 的 系進?了 究， 據 明，原絲致密化程度? ?，燒 碳纖維的機械? ??。??致密化一般在上油 熱輥或熱風進???致密 6 化。??致密化溫度? ??， 過 ， 油劑 浸入， 孔隙 削 ， 進? ??致密化 ?，實質上??致密化溫度在 110 1?0 的溫度 ?較?。 麗?? ‰ 逐步升溫的分段致密化工 ， 將水的 100% 150% 的溶脹態(tài)纖維在 100 00 的熱輥上??到水 0% 以 ，然 ' 110 140 的熱輥將纖維?? 水 2% 以 ，這?對纖維進?緩 的致密化， ?止產? 芯結?，并 ?止單絲 并 絲。??致密化程度通 原絲的碘?附fl 的明度差△ L 來評價， 明度差△ L ? 小原絲結??致密，△L ??結??疏?， 一般△ L ¨制在15 以 ?度致密的 前驅體。 . .4 上油工 了改善纖維的 束?，須 前驅體纖維上油，一般分??，分 在??致密化前 和??致密化 進?上油。在向水膨潤絲 付與油劑 ， 有油劑浸入到纖維 “部? 阻 纖維的致密化， ?在 “部產? 小孔隙， 碳纖維 度的??。目前的技術 想充分抑制油劑的浸入還很困“的，”制絲技術中 少前驅體纖維的 小孔隙技術，優(yōu) 化 ˇ 對未拉伸絲 進?致密化的技術??量??拉伸?溫度對拉伸絲進?致密化 的技術等， 這?技術對抑制油劑向 “浸入的 果 充分。 了抑制油劑的浸￡，日 ˇ”??出分??階段進?上油， 以 少 小孔隙的發(fā)?，¨制油劑的浸入， ? 到? 度的碳纖維。第一?上油‰ i 的 0.01% 0.1% 的硅酮系化合物? 的油劑，進???致密化 ， 第??上油‰ i 的 0.02% 5.0% 的硅酮油 劑。在上油過程中，硼 化合物和硅 化合物同?具有￠?的耐熱?， 在于纖維 的 ?，有?止單絲 粘結的 果， 單獨使有因缺乏脫膜?， 發(fā)fi?耐熱?的 果。一??，水溶?的硼 化合物 使浸入到纖維內部， 阻 致密化， 以和 脫膜?優(yōu)異的硅酮系油劑混合使 ， 以有 地?止單絲 粘結，ˇ 夠 到 △L 小 （孔隙?。┑那膀岓w纖維。付著纖維中硼 的 通 ¨制在 0.01% 0.5% 這一 ?內， 于 0.01% ，“以發(fā)fi?止單絲 粘結以及緩和預氧化的 果， ” 量 過 0.5% ，預氧化過于遲緩，在纖維 ?′ 硬的 膜，??發(fā)?ˉ絲ˇ質量 。上油?fl： 使絲 通過工程油劑?中的驅動羅拉?非驅動羅拉?或者是ˇ定非ˇ定的 絲梳的付與 ?fl，使絲 在上?噴灑油劑的·體中?走，或在正?走的絲 上?噴灑油劑，讓絲 在噴霧油劑的 ?走等?fl。 3.4 結 論 碳纖維品質 是 度和模量?決于原絲的質量，?原絲的質量?決于制備技術， 在制備過程中， 共聚單體的選擇?聚合體的相對分 質量?粘度?紡絲?fl? ˇ ?纖維致密化程度?拉伸˙ ?上油工 及油劑類 等是制?原絲的 技術。 4.碳纖維干燥致密化設備的設計 4.1項目（課題） 西安CM復合材料 究 是中國HT ??? 單位， 制?產出?? 碳纖維， 與 單位簽定了部分碳纖維原絲制備設備 制協 ，由 ?根據其碳纖維?產工 求 其設計制造 處 設備，??機（ ）是其中 的配 設備之一。 7 4.2設備的工藝要求 ??致密化一般在上油 熱輥或熱風進???致密化。??致密化溫度? ??， 過 ， 油劑 浸入，孔隙 削 ， 進???致密化 ?，實質上??致 密化溫度在 110 1?0 的溫度 ?較?。 麗??‰ 逐步升溫的分段致密化工 ， 將水的 100% 150% 的溶脹態(tài)纖維在 100 00 的熱輥上??到水 0% 以 ，然 ' 110 140 的熱輥將纖維?? 水 2% 以 ，這?對纖維進?緩 的 致密化， ?止產? 芯結?，并 ?止單絲 并絲。 4.3設計思路 在了?碳纖維的 點和工 流程的基礎上，??設計擬參?緊 熱定 機和?弛熱 定 機以及?伸機等化纖 處 設備，結合碳纖維??和定 原 ，‰ 工 和 ? fl，來 fi碳纖維??致密化工 求。確保 過ˇ??機處 的碳纖維 水量 ? 溫度升??纖維內應力被清除?使 ? 到明 改善，實現碳纖維的??致密化， ? 到? 度的碳纖維，有?于 處 工 的進?。 ˇ?設計擬分 ?步驟：根據設計′務書進???機總體設計，分析其? ，選擇 和確定結??案并進?比較，繪制總裝圖和 部 ?零 圖，對 零部 進?計算校 核?編制使 說明書等，最 進?總結并致謝。 許 靜 波 2 0 0 7 . 0 7 8