วิธีการทำคาร์บอนไฟเบอร์?

คาร์บอนไฟเบอร์ประกอบด้วยวัสดุผสมที่มีลักษณะแตกต่างกัน (เส้นใยและเรซิน) ความหลากหลายและความสามารถปรับแต่งได้ จึงเป็นหัวใจสำคัญของเสน่ห์ของคาร์บอนไฟเบอร์ คาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตในฐานะวัสดุทดแทนโลหะ ให้ความแข็งแรงมากกว่าเหล็กกล้าถึงสิบเท่า ผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีลักษณะคล้ายคลึงกันแต่ไม่เหมือนกัน คาร์บอนไฟเบอร์มีค่าโมดูลัสแรงดึง (หรือความแข็งที่คำนวณจากการเสียรูปภายใต้แรงดึง) และค่าความต้านทานแรงดึง แรงอัด และความล้าแตกต่างกัน

ติดต่อเรา

ปัจจุบันเส้นใยคาร์บอนที่ใช้ PAN มีวางจำหน่ายในระดับโมดูลัสต่ำ (น้อยกว่า 32 ล้าน lbf/in² หรือ Msi) โมดูลัสมาตรฐาน (33 ถึง 36 Msi) โมดูลัสระดับกลาง (40 ถึง 50 Msi) โมดูลัสสูง (50 ถึง 70 Msi) และโมดูลัสสูงมาก (70 ถึง 140 Msi)
พูดอย่างง่ายที่สุด คาร์บอนไฟเบอร์ถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนตัวของเส้นใยสารตั้งต้นอินทรีย์ในบรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิสูงกว่า 1800°F (982.22°C) อย่างไรก็ตาม การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ถือเป็นธุรกิจขั้นสูง

การเกิดพอลิเมอไรเซชันและการปั่น

การเกิดพอลิเมอไรเซชัน

กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยสารประกอบเคมีที่เป็นตัวตั้งต้น (precursor) ซึ่งเป็นโครงสร้างโมเลกุลหลักของเส้นใย ปัจจุบัน เส้นใยคาร์บอนที่สร้างขึ้นประมาณ 100 เปอร์เซ็นต์ผลิตจากผ้าหรือสารตั้งต้นที่ทำจากน้ำมันดิน อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่มาจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ซึ่งผลิตจากไนไตรต์ และไนไตรต์มาจากสารเคมีอุตสาหกรรมโพรเพนและแอมโมเนีย

โดยทั่วไป สูตรสารตั้งต้นจะเริ่มต้นด้วยสารประกอบไนไตรล์ที่ผสมอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์กับอะคริลิกโคโมโนเมอร์ที่ทำให้เป็นพลาสติกและตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น กรด ไดออกไซด์ น้ำมันไวทริออล หรือกรด การผสมอย่างต่อเนื่องช่วยให้ส่วนผสมต่างๆ ผสมกัน ทำให้ได้ความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์ที่แน่นอน และก่อให้เกิดอนุมูลอิสระในโครงสร้างโมเลกุลของไนไตรต์ การเปลี่ยนแปลงนี้นำไปสู่กระบวนการทางเคมีที่ผลิตพอลิเมอร์สายยาวที่สร้างเส้นใยอะคริลิก รายละเอียดของกระบวนการทางเคมี เช่น อุณหภูมิ บรรยากาศ โคโมโนเมอร์และตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะ ล้วนเป็นกรรมสิทธิ์ หลังจากการซักและการอบแห้ง ไนไตรต์ในรูปแบบผงจะถูกละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น ไดเมทิลซัลไฟด์ (DMSO) ไดเมทิลอะเซตาไมด์ (DMAC) หรือไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF) หรือตัวทำละลายของเหลว เช่น เกลือเลขอะตอม 30 คลอไรด์ และโรดามีน ตัวทำละลายอินทรีย์ช่วยหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของอนุภาคโลหะขนาดเล็ก ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อเสถียรภาพทางความร้อนแบบแอโรฟิลัสของกระบวนการ และชะลอประสิทธิภาพความร้อนของเส้นใยสำเร็จรูป ในขั้นตอนนี้ ผงและตัวทำละลายที่แขวนลอยหรือสารตั้งต้น “สารเคลือบ” คือความเข้มข้นของน้ำเชื่อม การเลือกตัวทำละลายและระดับการควบคุมความเข้มข้นของสารเคลือบ (ผ่านการกรองเชิงลึก) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของกระบวนการสร้างเส้นใยในขั้นตอนต่อๆ ไป
การปั่น
เส้นใย PAN สร้างขึ้นโดยใช้วิธีการที่เรียกว่าการปั่นแบบเปียก (Wet Spinning) สารเคลือบจะถูกจุ่มลงในอ่างปั่นแบบธรรมชาติเหลว และถูกอัดผ่านรูในเครื่องปั่นที่ผลิตจากเส้นใยที่มีค่า ช่องทางผ่านจะถูกจับคู่กับจำนวนเส้นใยที่ต้องการของเส้นใย PAN (เช่น เส้นใยคาร์บอน 12K จำนวน 12,000 รู) เส้นใยที่ผ่านการปั่นแบบเปียกซึ่งมีความหนาและเปราะนี้จะถูกดึงผ่านลูกกลิ้งเพื่อกำจัดสารตกค้างส่วนเกิน จากนั้นจึงนำไปอบแห้งและยืดเพื่อให้สารประกอบ PAN อยู่ในทิศทางเดิม ในกรณีนี้ รูปร่างและหน้าตัดภายในของเส้นใยจะถูกกำหนดโดยระดับที่ตัวทำละลายและสารตกค้างที่เลือกจะแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยตั้งต้น ปริมาณแรงดึงที่ใช้ และการยืดตัวของเส้นใย ซึ่งวิธีการนี้เป็นกรรมสิทธิ์ของผู้ผลิตแต่ละราย อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการปั่นแบบเปียกคือวิธีการผสมที่เรียกว่าการพ่นแห้ง/การปั่นแบบเปียก ซึ่งใช้ช่องว่างอากาศแนวตั้งระหว่างเส้นใยและอ่างปั่นแบบธรรมชาติ ส่งผลให้เส้นใย PAN ทรงกลมเรียบลื่น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์โรซินภายในวัสดุผสม ขั้นตอนสุดท้ายในการสร้างเส้นใยตั้งต้น PAN คือการใช้น้ำมันตกแต่งเพื่อป้องกันไม่ให้เส้นใยหนืดเกาะกลุ่มกัน จากนั้นเส้นใย PAN สีขาวจะถูกทำให้แห้งอีกครั้งและม้วนเป็นม้วน

ออกซิเดชันและคาร์บอนไนเซชัน

ออกซิเดชัน

เส้นใย PAN จะถูกบรรจุลงในตะกร้า และในขั้นตอนการผลิตที่ยาวนานที่สุด คือขั้นตอนการออกซิไดซ์ เส้นใย PAN จะถูกป้อนผ่านเตาเผาเฉพาะชุดหนึ่ง ก่อนที่จะเข้าสู่เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวหลัก เส้นใย PAN จะถูกหลอมรวมเป็นเส้นใยหรือแผ่นที่เรียกว่าเส้นยืน อุณหภูมิในห้องทดสอบอยู่ระหว่าง 392 °F (ประมาณ 200 °C) ถึง 572 °F (300 °C)

เพื่อหลีกเลี่ยงการปลดปล่อยความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ (ค่าเอนทัลปีโดยประมาณที่ปลดปล่อยออกมาระหว่างการออกซิเดชัน ซึ่งคำนวณได้ที่ 2,000 กิโลจูล/กิโลกรัม ถือเป็นความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ที่แท้จริง) ผู้ผลิตเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวจึงใช้รูปแบบการไหลของอากาศที่หลากหลายเพื่อช่วยระบายความร้อนและควบคุมอุณหภูมิ ด้วยสารเคมีตั้งต้นบางชนิด เวลาในการออกซิเดชันจึงแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม Littler ประมาณการว่าเส้นใย 24K จะเปลี่ยนแปลงในอัตราประมาณ 43 ฟุตต่อ 13 เมตรต่อนาที บนเส้นขนาดใหญ่ที่มีเตาออกซิเดชันหลายเตา สุดท้าย เส้นใย PAN ที่เสถียร (เสถียร) จะมีโมเลกุลคาร์บอนประมาณ 5 ใน 65 ส่วนที่เหลือเป็นก๊าซ ซึ่งเป็นส่วนผสมของเลขอะตอม 7 และ O
การคาร์บอไนเซชัน
การคาร์บอไนเซชันเกิดขึ้นในบรรยากาศเฉื่อย (ปราศจากออกซิเจน) ในเตาเผาที่ออกแบบมาเป็นพิเศษหลายชุด ซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิของกระบวนการขึ้นทีละขั้นตอน ที่บริเวณแหล่งน้ำและทางออกของแต่ละห้อง ห้องปรับปรุงจะป้องกันการแทรกซึมของ O เนื่องจากโมเลกุล O ทุกโมเลกุลที่ผ่านเครื่องใช้ในครัวจะกำจัดเส้นใยออกไปเล็กน้อย ซึ่งอาจป้องกันการสูญเสียคาร์บอนที่เกิดขึ้นจากความร้อนดังกล่าว ในกรณีที่ไม่มี O จะมีการกำจัดเฉพาะโมเลกุลที่ไม่ใช่คาร์บอน รวมถึงสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายอื่นๆ (ที่คงตัวที่ระดับ 40 ถึง 80 ppm) และอนุภาค (เช่น เศษเส้นใยที่ตกตะกอนบางส่วน) และระบายออกจากเครื่องใช้ในครัวเพื่อนำไปบำบัดภายหลังในเตาเผาที่ควบคุมสภาพแวดล้อม คาร์บอนไนเซชันเริ่มต้นในห้องควบคุมอุณหภูมิ ถ่ายโอนเส้นใยไปยังอุณหภูมิ 1292 °F (ประมาณ 700 °C) ถึง 1472 °F (700 °C ถึง 800 °C) และสิ้นสุดในห้องทำความร้อนที่ 2192 °F (ประมาณ 1,200 °C) ถึง 2732 °F (ประมาณ 1,500 °C) จำนวนห้องขึ้นอยู่กับโมดูลัสที่ต้องการภายในคาร์บอนไฟเบอร์ ราคาที่ค่อนข้างสูงของเส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูงและโมดูลัสสูงปานกลางนั้น ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากความต่อเนื่องและอุณหภูมิที่เตาเผาความร้อนต้องบรรลุ แม้ว่าความต่อเนื่องจะเป็นกรรมสิทธิ์และคาร์บอนไฟเบอร์แต่ละเกรดจะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง แต่ความต่อเนื่องของออกซิเดชันจะคำนวณเป็นชั่วโมง อย่างไรก็ตาม อัตราการคาร์บอไนเซชันจะลดลงตามลำดับความสำคัญเป็นนาที เมื่อเส้นใยเปลี่ยนสถานะแล้ว น้ำหนักและปริมาตรจะลดลง ความยาวลดลง 5 ถึง 100% และลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ในความเป็นจริง ความสัมพันธ์เชิงปริมาณการแปลงของสารตั้งต้นของ PAN กับเส้นใยคาร์บอน PAN อยู่ที่ 2:1 และความสามารถในการเคลื่อนที่มีค่าน้อยกว่าคู่หนึ่ง นั่นคือมีวัสดุเข้าสู่กระบวนการน้อยกว่ามาก วิธีการนี้รวมโมเลกุล O จากอากาศเข้ากับเส้นใย PAN ภายในเส้นยืน และเริ่มต้นการเชื่อมโยงแบบไขว้ของสายสารประกอบ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของเส้นใยจาก ~1.18 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร เป็น 1.38 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร

การปรับสภาพพื้นผิวและการกำหนดขนาด

การปรับสภาพพื้นผิวและการกำหนดขนาด
ขั้นตอนต่อไปมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของเส้นใย และนอกจากสารตั้งต้นแล้ว ยังช่วยแยกแยะผลิตภัณฑ์ของซัพพลายเออร์แต่ละรายออกจากผลิตภัณฑ์ของคู่แข่งได้ดีที่สุด การยึดเกาะระหว่างสารประกอบอินทรีย์เมทริกซ์และเส้นใยคาร์บอนจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเสริมความแข็งแรงให้กับวัสดุผสม ตลอดกระบวนการผลิตเส้นใยคาร์บอน จะมีการปรับสภาพพื้นผิวเพื่อเพิ่มการยึดเกาะนี้

เวลาโพสต์: 1 พ.ย. 2561

วิธีการทำคาร์บอนไฟเบอร์มีขั้นตอนอย่างไร?

วิธีการทำคาร์บอนไฟเบอร์?

การเกิดพอลิเมอไรเซชันและการปั่น

ออกซิเดชันและคาร์บอนไนเซชัน

การปรับสภาพพื้นผิวและการกำหนดขนาด