كيفية صنع ألياف الكربون؟

ألياف الكربون، المُكوّنة من مزيج من مواد مختلفة (ألياف وراتنج)، تُعدّ تنوعاتها، وبالتالي قابليتها للتخصيص، جوهر جاذبيتها. كبديل للمعادن، تُوفّر مركبات ألياف الكربون قوةً تفوق قوة الفولاذ بعشرة أضعاف. يُنتج مُصنّعو ألياف الكربون منتجاتٍ مُتشابهة، وإن لم تكن مُتطابقة. تختلف ألياف الكربون في معامل الشد (أو الصلابة التي تُعرّف بالتشوّه تحت الضغط) وقوة الشد والضغط والتعب.

ألياف الكربون القائمة على PAN متاحة هذه الأيام في معامل مرونة منخفض (أقل من اثنين وثلاثين مليون رطل / بوصة مربعة أو Msi)، ومعامل مرونة قياسي (33 إلى ستة وثلاثين Msi)، ومعامل مرونة متوسط (40 إلى 50 Msi)، ومعامل مرونة مرتفع (50 إلى 70 Msi) ومعامل مرونة فائق الارتفاع (70 إلى 140 Msi).
بأبسط العبارات، تُصنع ألياف الكربون عن طريق تحريك ألياف السلائف العضوية في جو خامل عند درجات حرارة أعلى من 1800 درجة فهرنهايت (982.22 درجة مئوية). إلا أن تصنيع ألياف الكربون يُعدّ مشروعًا متقدمًا.

ألياف الكربون

البلمرة والغزل

البلمرة

تبدأ العملية بمركب كيميائي خام يُسمى المادة الأولية، وهو العمود الفقري الجزيئي للألياف. اليوم، يُصنع ما يقارب 100% من ألياف الكربون من مواد أولية قائمة على القماش أو القار، إلا أن معظمها يأتي من بولي أكريلونيتريل (PAN)، المصنوع من النتريت، بينما يأتي النتريت من المواد الكيميائية الصناعية البروبان والأمونيا.

عادةً، تبدأ تركيبة المادة الأولية بمركب نيتريت من الدرجة الثانية، يُمزج في مفاعل مع مونومر أكريليك مُلدّن ومحفز مثل حمض، أو ثاني أكسيد، أو زيت الزاج، أو حمض. يسمح الخلط المستمر للمكونات بالامتزاج، مما يضمن الاتساق والنقاء، ويبدأ تكوين الجذور الحرة في البنية الجزيئية للنيتريت. ينتج عن هذا التعديل عملية كيميائية تُنتج بوليمرات طويلة السلسلة تُشكل ألياف الأكريليك. تفاصيل العملية الكيميائية، مثل درجة الحرارة، والجو، ومونومرات النيتريت والمحفزات، خاصة. بعد الغسيل والتجفيف، يُذاب النتريت على شكل مسحوق في مذيب عضوي مثل كبريتيد الإيثيل الثنائي (DMSO)، أو ثنائي ميثيل أسيتاميد (DMAC)، أو ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، أو في مذيب سائل مثل كلوريد البوتاسيوم وأملاح الرودامين. تُسهّل المذيبات العضوية تجنب تلوث جزيئات المعادن النزرة، مما قد يُضرّ بالاستقرار الحراري للهواء في عملية التصنيع ويُؤخّر الأداء الحراري للألياف النهائية. في هذه المرحلة، يُشكّل مُعلّق المسحوق والمذيب، أو ما يُعرف بـ"طلاء" المادة الأولية، قوام الشراب. يُعدّ اختيار المذيب، وبالتالي درجة التحكم في خشونة الطلاء (من خلال الترشيح العميق)، أمرًا بالغ الأهمية لنجاح المراحل اللاحقة من تكوين الألياف.
الغزل
تُصنع ألياف PAN بطريقة الغزل الرطب. تُغمر الطبقة في حوض معالجة طبيعية سائلة، ثم تُطرد عبر ثقب في مغزل مصنوع من مادة خام. يُضبط الثقب حسب عدد خيوط ألياف PAN المطلوبة (مثل 12,000 ثقب من ألياف الكربون 12K). تُسحب هذه الألياف السميكة والهشة نسبيًا والمغزولة رطبًا عبر بكرة لإزالة المادة الزائدة، ثم تُجفف وتُشد للحفاظ على اتجاه مركب PAN. في هذه الحالة، يُحدد شكل الخيوط ومقطعها العرضي الداخلي بمدى اختراق المذيب والعامل المُختار للألياف الأولية، وكمية الشد المُطبقة، واستطالة الخيوط بالكمبيوتر. هذه الأخيرة خاصة بكل مُصنِّع. كبديل للغزل الرطب، يُمكن استخدام طريقة مُختلطة تُسمى التفجير الجاف/الغزل الرطب، والتي تستخدم فجوة هوائية رأسية بين الألياف وحوض المعالجة الطبيعية. يؤدي هذا إلى ألياف PAN كروية أنيقة تُحسّن واجهة الألياف/المصفوفة داخل المركب. الخطوة الأخيرة في تشكيل ألياف PAN الأولية هي استخدام زيوت التشطيب لمنع تكتل الخيوط اللزجة. تُجفف ألياف PAN البيضاء مرة أخرى وتُلف على بكرة.
فرن أكسدة ألياف الكربون

الأكسدة والكربنة

أكسدة

تُحمَّل هذه البكرات في السلة، وخلال أطول مرحلة إنتاج، وهي مرحلة الأكسدة، تُغذَّى ألياف الـ PAN عبر سلسلة من الأفران المخصصة. قبل دخولها إلى جهاز المطبخ الرئيسي، تُستخدَم ألياف الـ PAN في شكل خيط أو صفيحة تُعرف باسم السدى. تتراوح درجة حرارة الغرفة بين 392 درجة فهرنهايت (حوالي 200 درجة مئوية) و572 درجة فهرنهايت (300 درجة مئوية).

لتجنب فقدان الحرارة الزائدة (تقدير فقدان المحتوى الحراري أثناء الأكسدة، والذي يُقدر بـ 2000 كيلوجول/كيلوغرام، انظر خطر الحرائق الحقيقي)، يستخدم مصنعو أجهزة المطبخ مجموعة متنوعة من أنماط تدفق الهواء للمساعدة في تبديد الحرارة والتحكم في درجة الحرارة. يختلف زمن الأكسدة، نظرًا لاستخدام مادة كيميائية أولية معينة، إلا أن ليتلر يُقدر أن سحب 24 كيلوجول سيتغير بمعدل حوالي 43 قدمًا لكل 13 مترًا في الدقيقة على خط كبير مزود بأفران أكسدة متعددة. أخيرًا، تحتوي ألياف PAN المُعدلة (المستقرة) على ما بين 50% و65% من جزيئات الكربون، مع كون النسبة المتبقية غازًا، وهو مزيج من العدد الذري 7 والأكسجين.
الكربنة
تتم عملية الكربنة في جو خامل (خالٍ من الأكسجين) ضمن سلسلة من الأفران المصممة خصيصًا، مما يؤدي تدريجيًا إلى زيادة درجة حرارة العملية. عند مدخل الماء ومخرج كل غرفة، تمنع غرفة التحسين دخول الأكسجين (O2) لأن كل جزيء أكسجين يمر عبر جهاز المطبخ يزيل جزءًا من الألياف. قد يمنع هذا فقدان الكربون الناتج عن هذه الحرارة. في حالة عدم وجود الأكسجين (O2)، تُزال الجزيئات غير الكربونية فقط، بما في ذلك المركبات العضوية المتطايرة (المستقرة عند مستوى درجة حرارة يتراوح بين 40 و80 جزءًا في المليون) والجسيمات (مثل شظايا الألياف المترسبة جزئيًا)، وتُصرف من جهاز المطبخ للمعالجة اللاحقة في فرن مُتحكم فيه بيئيًا. تبدأ عملية الكربنة في غرفة الحرارة، وتنقل الألياف إلى درجة حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية (1292 درجة فهرنهايت) وتنتهي في غرفة الحرارة عند 1200 درجة مئوية (2192 درجة فهرنهايت) و1500 درجة مئوية (1500 درجة مئوية). يُحدد عدد الغرف بناءً على معامل المرونة المطلوب داخل ألياف الكربون؛ ويرجع السعر المرتفع نسبيًا لألياف الكربون عالية ومتوسطة معامل المرونة جزئيًا إلى الاستمرارية ودرجة الحرارة اللازمتين للوصول إليهما بواسطة فرن التسخين. على الرغم من أن الاستمرارية ملكية وأن كل درجة من ألياف الكربون مختلفة تمامًا، إلا أن استمرارية الأكسدة تُحسب بالساعات، إلا أن معدل الكربنة ينخفض بمقدار مرتبة من حيث الحجم بالدقائق. بمجرد تغيير حالة الألياف، فإنها تقلل الوزن والحجم، وتقصر الطول بنسبة 5 إلى 100%، وتقلل القطر. في الواقع، تبلغ نسبة التحويل الكمي لألياف PAN السابقة إلى ألياف كربون PAN حوالي 2:1، كما أن قابلية الإزاحة أقل من 2، أي أن كمية المواد الداخلة في العملية أقل بكثير. تجمع هذه الطريقة جزيئات الأكسجين من الهواء مع ألياف PAN داخل الالتواء، مما يُحفز تشابك السلاسل المركبة. يؤدي هذا إلى زيادة كثافة الألياف من حوالي 1.18 غ/سم مكعب إلى 1.38 غ/سم مكعب.
تفحيم ألياف الكربون

معالجة السطح والتحجيم

معالجة السطح والتحجيم
الخطوة التالية أساسية لتحسين أداء الألياف، فبالإضافة إلى المواد الأولية، تُميّز منتج أحد الموردين عن منتجات منافسيه بشكل أفضل. يُعدّ الالتصاق بين المركب العضوي للمصفوفة وألياف الكربون أساسيًا لتعزيز قوة المركب؛ وخلال عملية إنتاج ألياف الكربون، تُجرى معالجة سطحية لتعزيز هذا الالتصاق.

يستخدم المنتجون طرق معالجة مختلفة تمامًا، إلا أن الأسلوب المُتّبع هو شد الألياف عبر مواد كيميائية مُرتبطة أو خلايا تحتوي على المُحلول، مثل المُطهرات أو الأحماض. تُطبّق هذه المواد أو تُغيّر سطح كل خيط، مما يزيد من المساحة المُتاحة لترابط الألياف السطحية/المصفوفة، ويُضيف مجموعات كيميائية تفاعلية مثل أحماض الكربوكسيل. بعد ذلك، يُطبّق طلاء خاص للغاية يُعرف باسم "الأحجام". عند نسبة تتراوح بين 0.5% و5% من وزن ألياف الكربون، يحمي هذا الطلاء ألياف الكربون في شكل وسيط مُرتبط، مثل قطعة قماش جافة ومادة مُشبّعة مسبقًا، أثناء العملية (مثل النسيج). كما يُثبّت هذا الطلاء الخيوط الأحادية معًا لتقليل الزغب، وتحسين كفاءة العملية، وزيادة قوة القص السطحي بين الألياف ومادة المصفوفة العضوية.

وقت النشر: 1 نوفمبر 2018
الدردشة عبر الواتساب!