कार्बन फाइबर कैसे बनाएं?

कार्बन फाइबर, जो विभिन्न सामग्रियों (फाइबर और रेज़िन) के संयोजनों से बना होता है, उनकी परिवर्तनशीलता और इसलिए, अनुकूलनशीलता, उनके आकर्षण का केंद्र होते हैं। धातु के विकल्प के रूप में, कार्बन फाइबर कंपोजिट स्टील की तुलना में दस गुना अधिक मज़बूती प्रदान करते हैं। कार्बन फाइबर निर्माता ऐसे उत्पाद बनाते हैं जो समान तो होते हैं, लेकिन बिल्कुल एक जैसे नहीं होते। कार्बन फाइबर तन्य मापांक (या तनाव के तहत विरूपण के रूप में निर्धारित कठोरता) और तन्य, संपीड़न और थकान शक्ति में भिन्न होता है।

पैन-आधारित कार्बन फाइबर आजकल कम मापांक (32 मिलियन lbf/in² या Msi से कम), मानक मापांक (33 से 36 Msi), मध्यवर्ती मापांक (40 से 50 Msi), उच्च मापांक (50 से 70 Msi) और अतिउच्च मापांक (70 से 140 Msi) में उपलब्ध है।
सरल शब्दों में, कार्बन फाइबर का निर्माण 1800°F (982.22 °C) से अधिक तापमान पर निष्क्रिय वातावरण में कार्बनिक अग्रदूत फाइबर के स्थानांतरण द्वारा होता है। हालाँकि, कार्बन फाइबर निर्माण एक उन्नत उद्यम है।

कार्बन फाइबर

बहुलकीकरण और कताई

बहुलकीकरण

यह प्रक्रिया एक रासायनिक यौगिक फीडस्टॉक से शुरू होती है जिसे प्रीकर्सर कहा जाता है और जो फाइबर की आणविक रीढ़ है। आज, उत्पादित कार्बन फाइबर का लगभग 100 प्रतिशत कपड़ा या पिच-आधारित प्रीकर्सर से बनता है, हालाँकि इसका अधिकांश भाग पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल (PAN) से आता है, जो नाइट्राइट से निर्मित होता है, और नाइट्राइट औद्योगिक रसायनों प्रोपेन और अमोनिया से प्राप्त होता है।

आमतौर पर, प्रीकर्सर फॉर्मूलेशन एक नाइट्रेट यौगिक से शुरू होता है जिसे एक रिएक्टर में प्लास्टिककृत ऐक्रेलिक मोनोमर और अम्ल, डाइऑक्साइड, विट्रिऑल ऑयल या अम्ल जैसे उत्प्रेरक के साथ मिलाया जाता है। निरंतर मिश्रण से अवयवों का मिश्रण होता है, जिससे स्थिरता और शुद्धता सुनिश्चित होती है, और नाइट्राइट की आणविक संरचना में मुक्त मूलकों का निर्माण शुरू होता है। इस परिवर्तन के परिणामस्वरूप रासायनिक प्रक्रिया होती है, जिससे लंबी श्रृंखला वाले बहुलक बनते हैं जो ऐक्रेलिक रेशे बनाते हैं। रासायनिक प्रक्रिया के विवरण, जैसे तापमान, वातावरण, विशिष्ट मोनोमर और उत्प्रेरक, निजी होते हैं। धोने और सुखाने के बाद, पाउडर के रूप में नाइट्राइट को एक कार्बनिक विलायक जैसे डाइमेथिलएसिटामाइड (DMSO), डाइमिथाइलएसिटामाइड (DMAC) या डाइमिथाइलफॉर्मामाइड (DMF), या एक तरल विलायक, जैसे क्लोराइड और रोडामाइन लवण में घोला जाता है। कार्बनिक विलायक सूक्ष्म धातु कण संदूषण को रोकने में मदद करते हैं, जो प्रक्रिया की तापीय वायुरागी स्थिरता को नुकसान पहुँचा सकते हैं और तैयार रेशे की ऊष्मा दक्षता में देरी कर सकते हैं। इस स्तर पर, पाउडर और विलायक का निलंबन या पूर्ववर्ती "कोटिंग" सिरप की स्थिरता है। विलायक का चयन और कोटिंग की क्रूरता के नियंत्रण की डिग्री (गहन निस्पंदन के माध्यम से) फाइबर निर्माण के क्रमिक चरण की सफलता के लिए महत्वपूर्ण हैं।
कताई
पैन रेशों का निर्माण वेट स्पिनिंग नामक विधि द्वारा किया जाता है। इस लेप को एक तरल कार्बनिक पदार्थ के टब में डुबोया जाता है और एक कृत्रिम धागे से बने स्पिनरेट के एक छिद्र से बाहर निकाला जाता है। इस छिद्र को पैन रेशे के आवश्यक तंतुओं की संख्या (जैसे, 12K कार्बन रेशे के 12,000 छिद्र) के अनुसार समायोजित किया जाता है। इस अपेक्षाकृत मोटे और भंगुर गीले स्पन रेशे को अतिरिक्त पदार्थ को हटाने के लिए एक रोलर से खींचा जाता है, फिर पैन यौगिक के अभिविन्यास को जारी रखने के लिए सुखाया और खींचा जाता है। यहाँ, रेशों का आकार और आंतरिक अनुप्रस्थ काट इस बात पर निर्भर करता है कि चयनित विलायक और पदार्थ पूर्ववर्ती रेशों में किस हद तक प्रवेश करते हैं, कितना दबाव डाला जाता है, और रेशों का कंप्यूटर विस्तार कितना होता है। बाद वाला तरीका प्रत्येक निर्माता का अपना होता है। वेट स्पिनिंग का एक विकल्प ड्राई ब्लास्टिंग/वेट स्पिनिंग नामक एक मिश्रित विधि हो सकती है, जिसमें रेशों और कार्बनिक पदार्थ के बीच एक ऊर्ध्वाधर वायु अंतराल का उपयोग किया जाता है। इससे एक चिकना गोलाकार पैन फाइबर बनता है जो कंपोजिट में फाइबर/मैट्रिक्स रोसिन इंटरफेस को बढ़ाता है। पैन प्रीकर्सर फाइबर के निर्माण का अंतिम चरण चिपचिपे तंतुओं को एकत्रित होने से रोकने के लिए फिनिशिंग ऑयल का उपयोग करना है। फिर सफेद पैन फाइबर को फिर से सुखाया जाता है और एक स्पूल पर लपेटा जाता है।
कार्बन फाइबर ऑक्सीकरण ओवन

ऑक्सीकरण और कार्बनीकरण

ऑक्सीकरण

इन बॉबिनों को टोकरी में भर दिया जाता है, और सबसे लंबे उत्पादन, ऑक्सीकरण चरण में, पैन फाइबर को समर्पित भट्टियों की एक श्रृंखला से गुज़ारा जाता है। मुख्य रसोई उपकरण में प्रवेश करने से पहले, पैन फाइबर को एक टो या शीट में बदल दिया जाता है जिसे वार्प कहा जाता है। कक्ष का तापमान 392 °F (लगभग 200 °C) से 572 °F (300 डिग्री सेल्सियस) तक होता है।

बेकाबू ऊष्मा उत्सर्जन (ऑक्सीकरण के दौरान अनुमानित एन्थैल्पी उत्सर्जन, जिसकी गणना 2,000 kJ/किलोग्राम पर की जा सकती है, वास्तविक अग्नि जोखिम से अधिक है) से बचने के लिए, रसोई उपकरण निर्माता ऊष्मा को नष्ट करने और तापमान को नियंत्रित करने में मदद के लिए वायु प्रवाह के विभिन्न प्रकारों का उपयोग करते हैं। एक विशिष्ट पूर्ववर्ती रसायन द्वारा संचालित, ऑक्सीकरण समय अलग-अलग होता है, लेकिन लिटलर का अनुमान है कि 24K टो को कई ऑक्सीकरण भट्टियों वाली एक बड़ी लाइन पर लगभग 43 फीट प्रति 13 मीटर प्रति मिनट की दर से परिवर्तित किया जा सकता है। अंत में, परिवर्तित (स्थिर) PAN तंतुओं में लगभग 500वें से लेकर लगभग 65वें कार्बन अणु होते हैं, शेष कार्बन डाइऑक्साइड, परमाणु संख्या 7 और O का मिश्रण होता है।
अथ जलकर कोयला हो जाना
कार्बनीकरण विशेष रूप से डिज़ाइन की गई भट्टियों की एक श्रृंखला में एक निष्क्रिय (ऑक्सीजन-रहित) वातावरण में होता है, जिससे प्रक्रिया का तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है। प्रत्येक कक्ष के जल निकाय और निकास पर, सुधार कक्ष O के प्रवेश को रोकता है क्योंकि उपकरण से गुजरने वाला प्रत्येक O अणु कुछ रेशों को हटा देता है। यह इतनी अधिक गर्मी में उत्पन्न कार्बन के नुकसान को रोक सकता है। O की अनुपस्थिति में, केवल गैर-कार्बन अणु, जिनमें यौगिक और अन्य वाष्पशील कार्बनिक यौगिक (40 से 80 पीपीएम के स्तर पर स्थिर) और कण (जैसे आंशिक रूप से जमा रेशे के टुकड़े) शामिल हैं, हटा दिए जाते हैं और पर्यावरण-नियंत्रित भट्टी में बाद के उपचार के लिए उपकरण से बाहर निकाल दिए जाते हैं। कार्बनीकरण एक तापमान कक्ष में शुरू होता है, फाइबर को 1292 °F (लगभग 700 °C) से 1472 °F (700 °C से 800 °C) तक स्थानांतरित किया जाता है और 2192 °F (लगभग 1,200 °C) से 2732 °F (लगभग 1,500 °C) पर एक ताप कक्ष में समाप्त होता है। कक्षों की संख्या कार्बन फाइबर में आवश्यक मापांक द्वारा निर्धारित होती है; उच्च और अत्यधिक उच्च मापांक वाले कार्बन फाइबर की तुलनात्मक रूप से उच्च कीमत आंशिक रूप से ताप भट्टी द्वारा प्राप्त की जाने वाली निरंतरता और तापमान के कारण होती है। यद्यपि निरंतरता व्यक्तिगत होती है और प्रत्येक कार्बन फाइबर ग्रेड अलग होता है, ऑक्सीकरण निरंतरता की गणना घंटों में की जाती है, लेकिन कार्बनीकरण दर मिनटों में परिमाण के क्रम से कम हो जाती है। एक बार फाइबर की स्थिति बदल जाने पर, यह वजन और आयतन कम कर देता है, लंबाई को 5 से 100% तक कम कर देता है, और व्यास को कम कर देता है। वास्तव में, PAN कार्बन फाइबर के साथ PAN अग्रदूत का रूपांतरण मात्रात्मक अनुपात लगभग 2:1 होता है और विस्थापन क्षमता 2 से भी कम होती है - अर्थात, प्रक्रिया में बहुत कम सामग्री प्रवेश करती है। यह विधि हवा से O अणुओं को ताने के भीतर PAN फाइबर के साथ जोड़ती है और यौगिक श्रृंखलाओं का क्रॉस-लिंकिंग शुरू करती है। इससे फाइबर का घनत्व ~1.18 ग्राम/सीसी से बढ़कर 1.38 ग्राम/सीसी हो जाता है।
कार्बन फाइबर कार्बोनाइजेशन

सतह उपचार और आकार निर्धारण

सतह उपचार और आकार निर्धारण
अगला चरण फाइबर के प्रदर्शन के लिए आवश्यक है, और इसके पूर्ववर्तियों के अतिरिक्त, यह एक आपूर्तिकर्ता के उत्पाद को प्रतिस्पर्धियों के उत्पाद से सर्वोत्तम रूप से अलग करता है। मैट्रिक्स कार्बनिक यौगिक और कार्बन फाइबर के बीच आसंजन, समग्र को सुदृढ़ बनाने के लिए आवश्यक है; कार्बन फाइबर उत्पादन प्रक्रिया के दौरान, इस आसंजन को बढ़ाने के लिए सतह उपचार किया जाता है।

निर्माता विभिन्न उपचार विधियों का उपयोग करते हैं, लेकिन मानक विधि रेशों को किसी रसायन या घोल युक्त कोशिका, जैसे कीटाणुनाशक या अम्ल, से खींचकर निकालना है। ये पदार्थ प्रत्येक तंतु की सतह को मुद्रित या परिवर्तित करते हैं, जिससे सतही तंतु/मैट्रिक्स बंधन के लिए उपलब्ध विस्तार बढ़ जाता है और कार्बोक्सिल अम्ल जैसे प्रतिक्रियाशील रासायनिक समूह जुड़ जाते हैं। इसके बाद, आकार नामक एक विशेष रूप से विशिष्ट लेप लगाया जाता है। कार्बन फाइबर के भार के 0.5% से 5% पर, आकार प्रक्रिया और प्रक्रिया (जैसे, बुनाई) के दौरान कार्बन फाइबर को एक मध्यवर्ती रूप, जैसे सूखा कपड़ा और प्रीप्रेग, में सुरक्षित रखता है। आकार मोनो तंतुओं को भी साथ रखता है जिससे फुलाव कम होता है, प्रक्रिया क्षमता में सुधार होता है और तंतुओं और मैट्रिक्स कार्बनिक यौगिक के बीच सतही अपरूपण शक्ति बढ़ती है।

पोस्ट करने का समय: 01-नवंबर-2018
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