Bagaimana cara membuat serat karbon?

Serat karbon, yang terdiri dari kombinasi material yang berbeda (serat dan resin), variabilitasnya, dan dengan demikian, kemudahan penyesuaiannya, merupakan inti dari daya tariknya. Sebagai pengganti logam, komposit serat karbon memberikan kekuatan sepuluh kali lipat baja. Produsen serat karbon menciptakan produk yang serupa tetapi tidak identik. Serat karbon bervariasi dalam hal modulus tarik (atau kekakuan yang didefinisikan sebagai deformasi di bawah regangan) dan kekuatan tarik, tekan, dan lelah.

Serat karbon berbasis PAN dapat diperoleh saat ini dalam modulus rendah (kurang dari tiga puluh dua juta lbf/in² atau Msi), modulus biasa (33 hingga tiga puluh enam Msi), modulus menengah (40 hingga lima puluh Msi), modulus tinggi (50 hingga tujuh puluh Msi) dan modulus sangat tinggi (70 hingga seratus empat puluh Msi).
Secara sederhana, serat karbon dibuat dengan memindahkan serat prekursor organik ke atmosfer inert pada suhu di atas 1800°F (982,22 °C). Namun, pembuatan serat karbon merupakan proses yang canggih.

serat karbon

Polimerisasi dan Pemintalan

Polimerisasi

Proses ini dimulai dengan bahan baku senyawa kimia yang disebut prekursor, yang memiliki kerangka molekul serat. Saat ini, sekitar 100 persen serat karbon yang dihasilkan terbuat dari prekursor berbahan dasar kain atau resin, tetapi sebagian besar berasal dari poliakrilonitril (PAN), yang terbuat dari nitrit, dan nitrit berasal dari bahan kimia industri propana dan amonia.

Biasanya, formulasi prekursor dimulai dengan senyawa nitrit yang digabung dalam reaktor dengan ko-monomer akrilik terplastisisasi dan katalis seperti asam, dioksida, minyak vitriol, atau asam. Penggabungan berkelanjutan memungkinkan bahan-bahan tersebut untuk bergabung, memastikan konsistensi dan kemurnian, serta memulai pembentukan radikal bebas dalam struktur molekul nitrit. Modifikasi ini menghasilkan proses kimia yang menghasilkan polimer rantai panjang yang membentuk serat akrilik. Detail proses kimia, seperti suhu, atmosfer, ko-monomer spesifik, dan katalis, merupakan hak milik. Setelah pencucian dan pengeringan, nitrit dalam bentuk bubuk dilarutkan dalam pelarut organik seperti dimetil sulfida (DMSO), dimetil asetamida (DMAC), atau dimetilformamida (DMF), atau pelarut cair, seperti klorida nomor atom 30 dan garam rhodamin. Pelarut organik membantu menghindari kontaminasi partikel logam, yang dapat merusak stabilitas aerofilik termal proses dan menunda kinerja termal serat yang telah difinishing. Pada tahap ini, bubuk dan suspensi pelarut atau "pelapis" prekursor akan membentuk konsistensi sirup. Pemilihan pelarut dan tingkat pengendalian kekentalan pelapis (melalui penyaringan mendalam) sangat penting bagi keberhasilan tahap pembentukan serat selanjutnya.
Pemintalan
Serat PAN dibentuk dengan metode yang disebut pemintalan basah. Lapisan tersebut direndam dalam bak proses alami cair dan diekstrusi melalui lubang pada spinneret yang terbuat dari logam mulia. Lubang tersebut disesuaikan dengan jumlah filamen serat PAN yang dibutuhkan (misalnya, 12.000 lubang serat karbon 12K). Serat pintal basah yang relatif tebal dan rapuh ini ditarik melalui rol untuk menghilangkan kelebihan zat, kemudian dikeringkan dan diregangkan untuk mempertahankan orientasi senyawa PAN. Di sini, bentuk dan penampang internal filamen ditentukan oleh sejauh mana pelarut dan zat yang dipilih menembus serat prekursor, jumlah tegangan yang diberikan, dan juga tingkat pemanjangan filamen. Hal terakhir ini merupakan hak milik setiap produsen. Alternatif untuk pemintalan basah adalah metode kombinasi yang disebut dry blasting/wet spinning, yang menggunakan celah udara vertikal antara serat dan bak proses alami. Hal ini menghasilkan serat PAN bulat ramping yang meningkatkan antarmuka rosin serat/matriks dalam komposit. Langkah terakhir dalam pembentukan serat prekursor PAN adalah penggunaan minyak finishing untuk mencegah filamen kental menggumpal. Serat PAN putih kemudian dikeringkan kembali dan digulung pada gulungan.
oven oksidasi serat karbon

Oksidasi dan Karbonisasi

Oksidasi

Kumparan-kumparan ini dimasukkan ke dalam keranjang, dan dalam tahap produksi dan oksidasi terpanjang, serat PAN dimasukkan ke dalam serangkaian tungku khusus. Sebelum memasuki peralatan dapur utama, serat PAN diremas menjadi gulungan atau lembaran yang disebut lungsin. Suhu ruang berkisar antara 392 °F (sekitar 200 °C) hingga 572 °F (300 derajat Celsius).

Untuk menghindari pelepasan panas tak terkendali (perkiraan pelepasan entalpi selama oksidasi, dapat dihitung sebesar 2.000 kJ/kilogram, setara dengan bahaya kebakaran sebenarnya), produsen peralatan dapur menggunakan berbagai jenis aliran udara untuk membantu menghilangkan panas dan mengontrol suhu. Didorong oleh bahan kimia prekursor tertentu, waktu oksidasi berbeda, tetapi Littler memperkirakan bahwa tarikan 24K akan diubah dengan kecepatan sekitar 43 kaki per 13 meter per menit pada jalur besar dengan beberapa tungku oksidasi. Terakhir, serat PAN yang diubah (distabilkan) mengandung sekitar 50 hingga 65 molekul karbon dengan keseimbangan berupa gas, campuran nomor atom 7 dan O.
Karbonisasi
Karbonisasi terjadi dalam atmosfer inert (bebas oksigen) dalam serangkaian tungku yang dirancang khusus, yang secara bertahap meningkatkan suhu proses. Di badan air dan outlet setiap ruang, ruang pengembangan mencegah intrusi O karena setiap molekul O yang melewati peralatan dapur menghilangkan sebagian serat. Hal ini dapat mencegah hilangnya karbon yang dihasilkan pada suhu tersebut. Tanpa O, hanya molekul non-karbon, termasuk senyawa dan senyawa organik volatil lainnya (yang distabilkan pada tingkat konsentrasi 40 hingga 80 ppm) dan partikulat (seperti fragmen serat yang terdeposit sebagian) yang dihilangkan dan dibuang dari peralatan dapur untuk pasca-perawatan dalam tungku yang terkontrol lingkungannya. Karbonisasi dimulai selama ruang suhu, transfer serat ke 1292 °F (sekitar 700 °C) hingga 1472 °F (700 °C hingga 800 °C) dan berakhir selama ruang panas pada 2192 °F (sekitar 1.200 °C) hingga 2732 °F (sekitar 1.500 °C). 1500 °C). Jumlah ruang diputuskan oleh modulus yang dibutuhkan dalam serat karbon; harga yang relatif tinggi dari serat karbon modulus tinggi dan sangat tinggi sebagian disebabkan oleh kontinuitas dan suhu yang harus dicapai oleh tungku panas. Meskipun kontinuitas adalah hak milik dan setiap kelas serat karbon benar-benar berbeda, kontinuitas oksidasi dihitung dalam jam, namun laju karbonisasi berkurang dengan urutan besarnya dalam menit. Setelah serat diubah wujudnya, berat dan volumenya berkurang, panjangnya memendek hingga 5% hingga 100%, dan diameternya pun berkurang. Faktanya, rasio kuantitatif konversi prekursor PAN terhadap serat karbon PAN adalah sekitar 2:1 dan kemampuan perpindahannya juga lebih kecil daripada dua kali lipat — artinya, lebih sedikit material yang masuk ke dalam proses. Metode ini menggabungkan molekul O dari udara dengan serat PAN di dalam lungsin dan memulai ikatan silang rantai senyawa. Hal ini akan meningkatkan kepadatan serat dari ~1,18 g/cc menjadi 1,38 g/cc.
Karbonisasi serat karbon

Perawatan permukaan dan ukuran

Perawatan permukaan dan ukuran
Langkah selanjutnya sangat penting untuk kinerja serat, dan selain prekursor, langkah ini juga yang paling membedakan produk satu pemasok dari produk pesaing. Daya rekat antara senyawa organik matriks dan serat karbon sangat penting untuk memperkuat komposit; selama proses produksi serat karbon, perlakuan permukaan dilakukan untuk meningkatkan daya rekat ini.

Produsen menggunakan metode perawatan yang sangat berbeda, namun teknik standarnya adalah dengan menarik serat melalui proses kimia asosiasi atau larutan yang mengandung sel, seperti disinfektan atau asam. Bahan-bahan ini mencetak atau mengubah permukaan setiap filamen, yang akan meningkatkan ruang yang tersedia untuk ikatan serat/matriks permukaan dan menambahkan gugus kimia reaktif seperti asam karboksil. Selanjutnya, aplikasikan lapisan khusus yang disebut ukuran. Pada 0,5% hingga 5% berat serat karbon, ukuran melindungi serat karbon menjadi bentuk perantara asosiasi, seperti kain kering dan prepreg, selama proses dan proses (misalnya, penenunan). Ukuran juga menahan filamen mono untuk mengurangi serat halus, meningkatkan kemampuan proses, dan meningkatkan kekuatan geser permukaan antara serat dan senyawa organik matriks.

Waktu posting: 01-Nov-2018
Obrolan Daring WhatsApp!