Jak zrobić włókno węglowe?

Włókno węglowe, składające się z kombinacji różnych materiałów (włókna i żywicy), a także jego zmienność, a co za tym idzie, możliwość dopasowania, stanowią klucz do jego atrakcyjności. Jako zamiennik metalu, kompozyty z włókna węglowego zapewniają dziesięciokrotnie większą wytrzymałość niż stal. Producenci włókna węglowego tworzą produkty, które są podobne, ale nie identyczne. Włókno węglowe różni się modułem sprężystości przy rozciąganiu (lub sztywnością określaną jako odkształcenie pod naprężeniem) oraz wytrzymałością na rozciąganie, ściskanie i zmęczenie.

Włókno węglowe na bazie PAN jest obecnie dostępne w wersjach o niskim module (mniej niż trzydzieści dwa miliony lbf/in² lub Msi), standardowym module (33 do trzydziestu sześciu Msi), średnim module (40 do pięćdziesięciu Msi), wysokim module (50 do siedemdziesięciu Msi) i ultrawysokim module (70 do stu czterdziestu Msi).
Najprościej rzecz ujmując, włókno węglowe powstaje w wyniku przemieszczenia organicznego włókna prekursorowego w atmosferze obojętnej w temperaturach powyżej 1800°F (982,22°C). Produkcja włókna węglowego może być jednak zaawansowanym przedsięwzięciem.

włókno węglowe

Polimeryzacja i przędzenie

Polimeryzacja

Proces rozpoczyna się od surowca chemicznego, zwanego prekursorem, który ma szkielet molekularny włókna. Obecnie około 100% wytwarzanego włókna węglowego powstaje z prekursorów na bazie tkaniny lub smoły, jednak większość z nich pochodzi z poliakrylonitrylu (PAN), wytwarzanego z azotynu, a azotyn z przemysłowych substancji chemicznych, propanu i amoniaku.

Zazwyczaj formulacja prekursora rozpoczyna się od związku nitrylowego, który jest łączony w reaktorze z uplastycznionym komonomerem akrylowym i katalizatorem, takim jak kwas, dwutlenek węgla, olej witriolowy lub kwas. Ciągłe łączenie pozwala na połączenie składników, zapewniając odpowiednią konsystencję i czystość oraz inicjując powstawanie wolnych rodników w strukturze molekularnej azotynu. Ta modyfikacja prowadzi do procesu chemicznego, który wytwarza długołańcuchowe polimery, z których powstają włókna akrylowe. Szczegóły procesu chemicznego, takie jak temperatura, atmosfera, konkretne komonomery i katalizatory, są zastrzeżone. Po praniu i suszeniu, azotyn w postaci proszku jest rozpuszczany w rozpuszczalniku organicznym, takim jak dimetylosiarczek (DMSO), dimetyloacetamid (DMAC) lub dimetyloformamid (DMF), lub w rozpuszczalniku ciekłym, takim jak chlorek o liczbie atomowej 30 i sole rodaminy. Rozpuszczalniki organiczne pomagają uniknąć zanieczyszczeń śladowymi cząstkami metali, które mogłyby zaszkodzić stabilności termicznej i aerofilowej procesu oraz opóźnić wydajność cieplną gotowego włókna. Na tym etapie zawiesina proszku i rozpuszczalnika, czyli prekursorowa „powłoka”, nadaje konsystencję syropowi. Wybór rozpuszczalnika, a tym samym stopień kontroli twardości powłoki (poprzez wgłębną filtrację), ma kluczowe znaczenie dla powodzenia kolejnego etapu formowania włókien.
Spinning
Włókna PAN są formowane metodą zwaną przędzeniem na mokro. Powłoka jest zanurzana w ciekłej, naturalnej wannie i wytłaczana przez otwór w dyszy przędzalniczej, wykonanej z cennego materiału. Przejście jest dopasowane do wymaganej liczby włókien włókna PAN (np. 12 000 otworów włókna węglowego 12K). To stosunkowo grube i kruche, mokre włókno jest przeciągane przez wałek w celu usunięcia nadmiaru środka, a następnie suszone i rozciągane w celu kontynuacji orientacji mieszanki PAN. W tym przypadku kształt i wewnętrzny przekrój włókien są określane przez stopień, w jakim wybrany rozpuszczalnik i środek wnikają we włókna prekursorowe, wielkość przyłożonego naprężenia oraz wydłużenie liniowe włókien. Ta ostatnia jest zastrzeżona dla każdego producenta. Alternatywą dla przędzenia na mokro może być metoda mieszana zwana suchym dmuchnięciem/przędzeniem na mokro, która wykorzystuje pionową szczelinę powietrzną między włóknami a naturalną wanną. Prowadzi to do powstania gładkiego, sferycznego włókna PAN, które wzmacnia połączenie między włóknem a kalafonią matrycy w kompozycie. Ostatnim etapem formowania włókien prekursorowych PAN jest zastosowanie olejów wykończeniowych w celu zapobiegania aglomeracji lepkich włókien. Białe włókna PAN są następnie ponownie suszone i nawijane na szpulę.
piec do utleniania włókna węglowego

Utlenianie i karbonizacja

Utlenianie

Szpule te są ładowane do kosza, a w najdłuższym etapie produkcji, czyli w fazie utleniania, włókna PAN przechodzą przez szereg dedykowanych pieców. Zanim trafią do głównego urządzenia kuchennego, włókna PAN formują się w pasmo lub arkusz zwany osnową. Temperatura w komorze wynosi od ok. 200°C (392°F) do 300°C (572°F).

Aby uniknąć niekontrolowanego uwalniania ciepła (szacowana entalpia uwalniania podczas utleniania, szacowana na 2000 kJ/kg, przekracza rzeczywiste ryzyko pożaru), producenci sprzętu AGD stosują różne strumienie powietrza, aby pomóc w rozproszeniu ciepła i kontrolowaniu temperatury. W zależności od konkretnego prekursora chemicznego, czas utleniania jest inny, jednak Littler szacuje, że 24-kilogramowy strumień będzie zmieniany z szybkością około czterdziestu trzech stóp na trzynaście metrów na minutę na dużej linii z wieloma piecami utleniającymi. Ostatecznie, zmienione (stabilizowane) włókna PAN zawierają od około pięciuset do około sześćdziesięciu pięciu cząsteczek węgla, a resztę stanowi gaz, mieszanina atomów liczby atomowej 7 i O.
Zwęglenie
Karbonizacja zachodzi w obojętnej (beztlenowej) atmosferze w serii specjalnie zaprojektowanych pieców, stopniowo zwiększając temperaturę procesu. W zbiorniku wodnym i na wylocie każdej komory, komora ulepszania zapobiega wnikaniu O, ponieważ każda cząsteczka O przechodząca przez urządzenie kuchenne usuwa niewielką część włókien. Może to zapobiec utracie węgla wytwarzanego przy takim cieple. W przypadku braku O, usuwane są jedynie cząsteczki niewęglowe, w tym związki i inne lotne związki organiczne (stabilizowane na poziomie od 40 do 80 ppm) oraz cząstki stałe (takie jak częściowo osadzone fragmenty włókien), a następnie odprowadzane z urządzenia kuchennego do obróbki końcowej w piecu o kontrolowanym środowisku. Karbonizacja rozpoczyna się w komorze temperaturowej, włókna przechodzą od ok. 700 °C do 700 °C do 800 °C i kończą się w komorze cieplnej w ok. 1200 °C do ok. 1500 °C. 1500 °C). Liczba komór jest ustalana na podstawie modułu potrzebnego we włóknie węglowym; stosunkowo wysoka cena włókien węglowych o wysokim i umiarkowanym module sprężystości wynika częściowo z trwałości i temperatury, które muszą zostać osiągnięte przez piec cieplny. Chociaż trwałość jest zastrzeżona i każdy gatunek włókna węglowego jest zupełnie inny, trwałość utleniania jest obliczana w godzinach, ale szybkość karbonizacji jest zmniejszana o rząd wielkości w minutach. Gdy włókno zmienia stan, zmniejsza się jego waga i objętość, skraca długość o pięć do 100% i zmniejsza średnicę. W rzeczywistości stosunek ilościowy konwersji prekursora PAN do włókna węglowego PAN wynosi około 2:1, a zdolność do wypierania jest mniejsza niż para – co oznacza, że do procesu trafia znacznie mniej materiału. Ta metoda łączy cząsteczki O z powietrza z włóknami PAN w osnowie i inicjuje sieciowanie łańcuchów złożonych. Zwiększa to gęstość włókna z ~1,18 g/cm³ do 1,38 g/cm³.
karbonizacja włókna węglowego

Obróbka powierzchni i kalibrowanie

Obróbka powierzchni i kalibrowanie
Kolejny etap jest kluczowy dla wydajności włókna i, oprócz prekursorów, najlepiej odróżnia produkt jednego dostawcy od produktów konkurencji. Adhezja między organicznym związkiem matrycy a włóknami węglowymi jest niezbędna do wzmocnienia kompozytu; w procesie produkcji włókien węglowych przeprowadzana jest obróbka powierzchni w celu zwiększenia tej adhezji.

Producenci stosują zupełnie inne metody obróbki, jednak standardową techniką jest przeciąganie włókien przez chemikalia towarzyszące lub komórki zawierające roztwór, takie jak środek dezynfekujący lub kwas. Materiały te drukują lub modyfikują powierzchnię każdego włókna, co zwiększa przestrzeń dostępną dla wiązania powierzchniowego włókna z matrycą i dodaje reaktywne związki chemiczne, takie jak kwasy karboksylowe. Następnie nakładana jest wysoce zastrzeżona powłoka zwana klejami. Przy zawartości od 0,5% do 5% wagowo włókna węglowego, klej zabezpiecza włókna węglowe w pośredniej formie, takiej jak sucha tkanina i prepreg, podczas całego procesu (np. tkania). Klej dodatkowo utrzymuje włókna monofilamentowe wzdłuż, aby zmniejszyć puchnięcie, poprawić zdolność przetwórczą i zwiększyć wytrzymałość na ścinanie powierzchni między włóknami, a tym samym między organicznym związkiem matrycy.

Czas publikacji: 01-11-2018
Czat online WhatsApp!