Làm thế nào để tạo ra sợi carbon?

Sợi carbon, được tạo thành từ sự kết hợp của các vật liệu không giống nhau (sợi và nhựa), tính biến dạng của chúng, và do đó, khả năng tùy chỉnh, chính là yếu tố cốt lõi tạo nên sức hấp dẫn của chúng. Là một vật liệu thay thế kim loại, vật liệu composite sợi carbon có độ bền gấp mười lần thép. Các nhà sản xuất sợi carbon tạo ra những sản phẩm tương tự nhưng không hoàn toàn giống hệt. Sợi carbon khác nhau về mô đun kéo (hay độ cứng được xác định là biến dạng dưới ứng suất) và độ bền kéo, nén và mỏi.

Ngày nay, sợi carbon nền PAN có thể đạt được ở mô đun thấp (dưới ba mươi hai triệu lbf/in² hoặc Msi), mô đun thông thường (33 đến ba mươi sáu Msi), mô đun trung gian (40 đến năm mươi Msi), mô đun cao (50 đến bảy mươi Msi) và mô đun siêu cao (70 đến một trăm bốn mươi Msi).
Nói một cách đơn giản, sợi carbon được tạo ra bằng cách chuyển một lượng sợi tiền chất hữu cơ nhất định vào môi trường trơ ở nhiệt độ cao hơn 1800°F (982,22°C). Tuy nhiên, sản xuất sợi carbon có thể là một quá trình phức tạp.

sợi carbon

Trùng hợp và kéo sợi

Trùng hợp

Quá trình này bắt đầu với một hợp chất hóa học được gọi là tiền chất, có xương sống phân tử là sợi. Ngày nay, khoảng 100% sợi carbon được tạo ra từ các tiền chất gốc vải hoặc nhựa đường, tuy nhiên phần lớn đến từ polyacrylonitrile (PAN), được sản xuất từ nitrit, và nitrit đến từ các hóa chất công nghiệp như propan và amoniac.

Thông thường, công thức tiền chất bắt đầu bằng hợp chất nitrit được kết hợp trong một lò phản ứng với monome đồng phân acrylic dẻo hóa và chất xúc tác như axit, dioxit, dầu vitriol hoặc axit. Quá trình kết hợp liên tục cho phép các thành phần kết hợp, tạo ra độ đồng nhất và độ tinh khiết nhất định, đồng thời bắt đầu hình thành các gốc tự do trong cấu trúc phân tử của nitrit. Sự biến đổi này dẫn đến một quá trình hóa học, tạo ra các polyme chuỗi dài tạo thành sợi acrylic. Chi tiết về quá trình hóa học, như nhiệt độ, khí quyển, monome đồng phân cụ thể và chất xúc tác, là độc quyền. Sau khi giặt và sấy khô, nitrit ở dạng bột được hòa tan trong dung môi hữu cơ như diethyl sulfide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC) hoặc dimethylformamide (DMF), hoặc dung môi lỏng, như clorua nguyên tử số 30 và muối rhodamine. Dung môi hữu cơ giúp tránh nhiễm bẩn các hạt kim loại vết, có thể làm giảm độ ổn định hiếu khí nhiệt của phương pháp và làm chậm hiệu suất nhiệt của sợi thành phẩm. Ở giai đoạn này, hỗn dịch bột và dung môi hoặc tiền chất "lớp phủ" chính là độ đặc của xi-rô. Việc lựa chọn dung môi và mức độ kiểm soát độ nhớt của lớp phủ (thông qua quá trình lọc sâu) đóng vai trò quan trọng cho sự thành công của giai đoạn hình thành sợi tiếp theo.
Quay
Sợi PAN được tạo hình bằng phương pháp kéo sợi ướt. Lớp phủ được nhúng trong bồn kéo sợi tự nhiên dạng lỏng và được đùn qua một lỗ trên ống kéo sợi được làm từ vật liệu quý. Đường dẫn được khớp với số lượng sợi PAN cần thiết (ví dụ: 12.000 lỗ sợi carbon 12K). Sợi kéo sợi ướt tương đối dày và giòn này được kéo qua một con lăn để loại bỏ tác nhân dư thừa, sau đó được sấy khô và kéo căng để tiếp tục định hướng hợp chất PAN. Ở đây, hình dạng và tiết diện ngang bên trong của sợi được xác định bởi mức độ dung môi và tác nhân đã chọn thâm nhập vào các sợi tiền chất, lượng lực căng được áp dụng và độ giãn dài của sợi. Độ giãn dài này là độc quyền của mỗi nhà sản xuất. Một phương án thay thế cho kéo sợi ướt có thể là phương pháp kết hợp được gọi là phun khô/kéo sợi ướt, sử dụng khe hở không khí thẳng đứng giữa các sợi và bồn kéo sợi tự nhiên. Điều này tạo ra sợi PAN hình cầu bóng mượt, giúp tăng cường giao diện sợi/nhựa nền trong vật liệu composite. Bước cuối cùng trong quá trình hình thành sợi tiền thân PAN là sử dụng dầu hoàn thiện để ngăn các sợi nhớt kết tụ. Các sợi PAN trắng sau đó được sấy khô lại và cuộn vào ống chỉ.
lò oxy hóa sợi carbon

Quá trình oxy hóa và cacbon hóa

Sự oxy hóa

Những cuộn chỉ này được đưa vào giỏ, và trong giai đoạn sản xuất và oxy hóa lâu nhất, sợi PAN được đưa qua một loạt lò nung chuyên dụng. Trước khi được đưa vào thiết bị nhà bếp chính, sợi PAN được làm mềm thành một sợi dài hoặc tấm được gọi là sợi dọc. Nhiệt độ buồng sấy dao động từ 392 °F (khoảng 200 °C) đến 572 °F (300 °C).

Để tránh hiện tượng giải phóng nhiệt mất kiểm soát (giải phóng enthalpy ước tính trong quá trình oxy hóa, có thể tính toán ở mức 2.000 kJ/kg, tương đương với nguy cơ cháy thực sự), các nhà sản xuất thiết bị nhà bếp sử dụng một loạt các kiểu luồng khí để giúp tản nhiệt và kiểm soát nhiệt độ. Được thúc đẩy bởi một hóa chất tiền chất cụ thể, thời gian oxy hóa hoàn toàn khác nhau, nhưng Littler ước tính rằng sợi 24K sẽ được biến đổi với tốc độ khoảng 43 feet trên 13 mét mỗi phút trên một dây chuyền quá khổ với nhiều lò oxy hóa. Cuối cùng, sợi PAN biến đổi (ổn định) chứa từ khoảng 500 đến 65 phân tử carbon, phần còn lại là khí, hỗn hợp của nguyên tử số 7 và O.
Cacbon hóa
Quá trình cacbon hóa diễn ra trong môi trường khí trơ (không có oxy) trong một loạt lò nung được thiết kế đặc biệt, từng bước tăng nhiệt độ quy trình. Tại thân nước và đầu ra của mỗi buồng, buồng cải tiến ngăn chặn sự xâm nhập của O2, bởi vì mỗi phân tử O2 đi qua thiết bị nhà bếp sẽ loại bỏ một phần sợi. Điều này có thể ngăn ngừa sự mất mát carbon được tạo ra ở nhiệt độ như vậy. Trong điều kiện không có O2, chỉ các phân tử không phải carbon, bao gồm hợp chất và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác (được ổn định ở mức nồng độ từ 40 đến 80 ppm) và các hạt (chẳng hạn như các mảnh sợi lắng đọng một phần) được loại bỏ và thải ra khỏi thiết bị nhà bếp để xử lý sau trong lò nung được kiểm soát môi trường. Quá trình cacbon hóa bắt đầu trong buồng nhiệt độ, chuyển các sợi đến 1292 °F (khoảng 700 °C) đến 1472 °F (700 °C đến 800 °C) và kết thúc trong buồng nhiệt ở 2192 °F (khoảng 1.200 °C) đến 2732 °F (khoảng 1.500 °C). 1500 °C). Số lượng buồng được quyết định bởi mô đun cần thiết trong sợi carbon; giá tương đối cao của các sợi carbon mô đun cao và quá cao một phần là do tính liên tục và nhiệt độ phải đạt được bằng lò nhiệt. Mặc dù tính liên tục là độc quyền và mỗi loại sợi carbon đều hoàn toàn khác nhau, nhưng tính liên tục oxy hóa được tính bằng giờ, tuy nhiên tốc độ cacbon hóa giảm đi một bậc độ lớn tính bằng phút. Khi sợi thay đổi trạng thái, nó giảm trọng lượng và thể tích, rút ngắn chiều dài từ năm đến 100% và giảm đường kính. Trên thực tế, tỷ lệ chuyển đổi định lượng của tiền chất PAN với sợi carbon PAN là 2:1 và khả năng dịch chuyển cũng nhỏ hơn so với một cặp — nghĩa là lượng vật liệu đi vào phương pháp ít hơn. Phương pháp này kết hợp các phân tử O2 từ không khí với các sợi PAN bên trong sợi dọc và bắt đầu liên kết chéo các chuỗi hợp chất. Điều này sẽ làm tăng mật độ sợi từ ~1,18 g/cc lên 1,38 g/cc.
Carbon hóa sợi carbon

Xử lý bề mặt và định cỡ

Xử lý bề mặt và định cỡ
Bước tiếp theo rất quan trọng đối với hiệu suất sợi, và ngoài các tiền chất, nó còn giúp phân biệt sản phẩm của nhà cung cấp này với sản phẩm của đối thủ cạnh tranh. Độ bám dính giữa hợp chất hữu cơ nền và sợi carbon là yếu tố thiết yếu để gia cố vật liệu composite; trong suốt quá trình sản xuất sợi carbon, việc xử lý bề mặt được thực hiện để tăng cường độ bám dính này.

Các nhà sản xuất sử dụng các phương pháp xử lý hoàn toàn khác nhau, tuy nhiên kỹ thuật tiêu chuẩn là kéo các sợi thông qua hóa chất liên kết hoặc tế bào chứa dung dịch, chẳng hạn như chất khử trùng hoặc axit. Các vật liệu này in hoặc thay đổi bề mặt của từng sợi, điều này sẽ làm tăng khoảng trống có thể tiếp cận để liên kết sợi bề mặt/ma trận và thêm các nhóm hóa chất phản ứng như axit cacboxylic. Tiếp theo, áp dụng một lớp phủ cực kỳ độc quyền được gọi là chất tạo màng. Ở mức 0,5% đến 5% trọng lượng của sợi carbon, chất tạo màng bảo vệ các sợi carbon thành dạng trung gian liên kết, chẳng hạn như vải khô và chất tiền ngâm tẩm, trong suốt quá trình xử lý và chế biến (ví dụ: dệt). Chất tạo màng cũng giữ các sợi đơn dọc theo để giảm xơ, cải thiện khả năng xử lý và tăng cường độ cắt bề mặt giữa các sợi và do đó là hợp chất hữu cơ của ma trận.

Thời gian đăng: 01-11-2018
Trò chuyện trực tuyến WhatsApp!