КАК ДА НАПРАВИМ ВЪГЛЕРОДНИ ВЛАКНА?

Въглеродните влакна, съставени от комбинации от различни материали (влакна и смола), тяхната вариативност и следователно възможност за персонализиране са от основно значение за техния чар. Като заместител на метала, композитите от въглеродни влакна осигуряват десет пъти по-голяма здравина от стоманата. Производителите на въглеродни влакна създават продукти, които са подобни, но не идентични. Въглеродните влакна се различават по модул на опън (или твърдост, определена като деформация под напрежение), както и по якост на опън, натиск и умора.

Свържете се с нас

В днешно време въглеродните влакна на базата на PAN се предлагат с нисък модул (под тридесет и два милиона lbf/in² или Msi), стандартен модул (от 33 до тридесет и шест Msi), среден модул (от 40 до 50 Msi), висок модул (от 50 до 70 Msi) и ултрависок модул (от 70 до 140 Msi).
Най-просто казано, въглеродните влакна се създават чрез преобразуване на органични прекурсорни влакна с асоциирана степен в инертна атмосфера с асоциирана степен при температури по-високи от 1800°F (982,22 °C). Производството на въглеродни влакна обаче може да бъде сложна дейност.

Полимеризация и предене

Полимеризация

Процесът започва с химическа смес, наречена прекурсор, която има молекулярната основа на влакното. Днес около 100 процента от произведените въглеродни влакна са направени от прекурсори на базата на плат или смола, но по-голямата част от тях идват от полиакрилонитрил (PAN), произведен от нитрит, а нитритът идва от промишлените химикали пропан и амоняк.

Обикновено, формулирането на прекурсора започва с нитрилно съединение с асоциирана степен, което се комбинира в реактор с пластифициран акрилен съмономер и катализатор като киселина, диоксид, витриол или киселина. Непрекъснатото смесване позволява на съставките да се комбинират, постигайки определена консистенция и чистота и инициирайки образуването на свободни радикали в молекулната структура на нитрита. Тази модификация води до химичен процес, който произвежда дълговерижни полимери, които образуват акрилни влакна. Подробности за химичния процес, като температура, атмосфера, специфични съмономери и катализатори, са защитени от собствениците. След изпиране и сушене, нитритът под формата на прах се разтваря в органичен разтворител с асоциирана степен като диметил сулфид (DMSO), диметилацетамид (DMAC) или диметилформамид (DMF), или в течен разтворител с асоциирана степен, като хлорид с атомен номер 30 и родаминови соли. Органичните разтворители помагат да се избегне замърсяване със следи от метални частици, което може да навреди на термичната аерофилна стабилност на процеса и да забави топлинните характеристики на готовите влакна. На този етап суспензията от прах и разтворител или „покритието“ на прекурсора е с консистенцията на сироп. Изборът на разтворител и следователно степента на управление на вредността на покритието (чрез дълбока филтрация) е от съществено значение за успеха на следващия етап от образуването на влакната.
Въртене
PAN влакната се оформят чрез метод, наречен мокро предене. Покритието се потапя в течна вана с естествен технологичен процес и се екструдира през отвор в дюза, изработена от ценни материали. Преходът е съобразен с необходимия брой нишки на PAN влакното (например, 12 000 отвора от 12K въглеродни влакна). Това сравнително дебело и крехко мокро предено влакно се изтегля през валяк, за да се отстрани излишният агент, след което се суши и разтяга, за да се запази ориентацията на PAN съединението. Тук формата и вътрешното напречно сечение на нишките се определят от степента, до която избраният разтворител и агент проникват в прекурсорните влакна, количеството приложено напрежение и удължението на нишките. Последното е собственост на всеки производител. Алтернатива на мокрото предене може да бъде смесен метод, наречен сухо бластиране/мокро предене, който използва вертикална въздушна междина между влакната и ваната с естествен технологичен процес. Това води до елегантно сферично PAN влакно, което подобрява интерфейса влакно/матричен колофон в композита. Последната стъпка при образуването на PAN прекурсорни влакна е използването на финални масла, за да се предотврати агломерирането на вискозни нишки. След това белите PAN влакна се сушат отново и се навиват на макара.

Окисление и карбонизация

Окисление

Тези бобини се зареждат в кошницата и в рамките на най-дългия производствен етап, етап на окисление, PAN влакната преминават през серия от специални пещи. Преди да влязат в основния кухненски уред, PAN влакната се оформят в кълчище или лист, наречен основа. Температурата в камерата варира от около 200°C до 300°C.

За да се избегне неконтролирано освобождаване на топлината (очаквано освобождаване на енталпията по време на окислението, изчислено на 2000 kJ/килограм, движеща се от истинската опасност от пожари), производителите на кухненски уреди използват разпределение на въздушните потоци, за да подпомогнат разсейването на топлината и регулирането на температурата. Задвижвано от специфичен прекурсорен химикал, времето за окисление е различно, но Литлър изчислява, че 24K влакното ще се променя със скорост от около 43 фута на 13 метра в минута на голяма линия с множество окислителни пещи. Накрая, алтернираните (стабилизирани) PAN влакна съдържат от около 500 до около 65 въглеродни молекули, като останалата част е газ, смес от атомен номер 7 и O.
Карбонизация
Карбонизацията протича в инертна (безкислородна) атмосфера в серия от специално проектирани пещи, като постепенно се повишава температурата на процеса. Във водния басейн и на изхода на всяка камера, камерата за подобряване предотвратява проникването на O2, тъй като всяка молекула O2, преминаваща през уреда, премахва част от влакната. Това може да предотврати загубата на въглерод, генериран при такава температура. При липса на O2, само невъглеродните молекули, включително съединенията и други летливи органични съединения (стабилизирани на степен от 40 до 80 ppm) и частици (като частично отложени фрагменти от влакна) се отстраняват и се изхвърлят от уреда за последваща обработка в пещ с контролирана температура. Карбонизацията започва в температурна камера, прехвърля влакната до 700°C до 800°C и завършва в термокамера при 1200°C до 1500°C. 1500°C). Броят на камерите се определя от необходимия модул във въглеродните влакна; сравнително високата цена на високомодулните въглеродни влакна се дължи отчасти на издръжливостта и температурата, които трябва да се постигнат от топлинната пещ. Въпреки че издръжливостта е патентована и всеки клас въглеродни влакна е напълно различен, издръжливостта на окисление се изчислява в часове, но скоростта на карбонизация се намалява с порядък в минути. След като влакното промени състоянието си, то намалява теглото и обема си, скъсява дължината си с 5 до 100% и намалява диаметъра си. Всъщност, количественото съотношение на преобразуване на PAN прекурсора в PAN въглеродните влакна е около 2:1, а способността за изместване е по-малка от тази на два - тоест, в процеса влиза много по-малко материал. Този метод комбинира O молекули от въздуха с PAN влакна в основата и инициира омрежване на сложните вериги. Това ще увеличи плътността на влакната от ~1,18 g/cc до 1,38 g/cc.

Повърхностна обработка и оразмеряване

Повърхностна обработка и оразмеряване
Следващата стъпка е от съществено значение за производителността на влакната и освен прекурсорите, тя най-добре отличава продукта на един доставчик от продукта на конкурентите. Адхезията между матричното органично съединение и следователно въглеродните влакна е от съществено значение за подсилване на композита; по време на целия процес на производство на въглеродни влакна се извършва повърхностна обработка, за да се подобри тази адхезия.

Време на публикуване: 01 ноември 2018 г.

Как да направим въглеродни влакна?

КАК ДА НАПРАВИМ ВЪГЛЕРОДНИ ВЛАКНА?

Полимеризация и предене

Окисление и карбонизация

Повърхностна обработка и оразмеряване