KAKO NAPRAVITI UGLJIČNA VLAKNA?

Karbonska vlakna, sastavljena od kombinacija različitih materijala (vlakana i smole), njihova varijabilnost, a time i prilagodljivost, ključni su za njihov šarm. Kao zamjena za metal, kompoziti od karbonskih vlakana pružaju deset puta veću čvrstoću od čelika. Proizvođači karbonskih vlakana stvaraju proizvode koji su slični, ali ne i identični. Karbonska vlakna se razlikuju po modulu zatezanja (ili krutosti određenoj kao deformacija ispod naprezanja) i zateznoj, tlačnoj i zamornoj čvrstoći.

Kontaktirajte nas

Karbonska vlakna na bazi PAN-a danas su dostupna u niskom modulu (manje od trideset dva miliona lbf/in² ili Msi), standardnom modulu (33 do trideset šest Msi), srednjem modulu (40 do pedeset Msi), visokom modulu (50 do sedamdeset Msi) i ultra visokom modulu (70 do 140 Msi).
Najjednostavnije rečeno, karbonska vlakna se stvaraju premještanjem organskih prekursorskih vlakana pridruženog stepena u inertnoj atmosferi pridruženog stepena na temperaturama višim od 982,22 °C (1800°F). Međutim, proizvodnja karbonskih vlakana može biti napredan poduhvat.

Polimerizacija i predenje

Polimerizacija

Proces počinje sa hemijskom smjesom sirovine koja se naziva prekursorom i koja ima molekularnu osnovu vlakna. Danas se oko 100 posto proizvedenih ugljičnih vlakana pravi od prekursora na bazi tkanine ili smole, međutim većina dolazi od poliakrilonitrila (PAN), proizvedenog od nitrita, a nitrit dolazi od industrijskih hemikalija propana i amonijaka.

Tipično, formulacija prekursora počinje sa spojem nitrila pridruženog stepena koji se kombinuje u reaktoru sa plastificiranim akrilnim komonomerom i katalizatorom poput kiseline, dioksida, ulja vitriola ili kiseline. Kontinuirano kombinovanje omogućava sastojcima da se sjedine, stvarajući određenu konzistenciju i čistoću, te inicirajući stvaranje slobodnih radikala unutar molekularne strukture nitrita. Ova modifikacija rezultira hemijskim procesom koji proizvodi polimere dugog lanca koji formiraju akrilna vlakna. Detalji hemijskog procesa, poput temperature, atmosfere, specifičnih komonomera i katalizatora, su zaštićeni. Nakon pranja i sušenja, nitrit u obliku praha se rastvara u organskom rastvaraču pridruženog stepena kao što je dimetil sulfid (DMSO), dimetilacetamid (DMAC) ili dimetilformamid (DMF), ili tečnom rastvaraču pridruženog stepena, kao što su hlorid atomskog broja 30 i rodaminske soli. Organski rastvarači pomažu u sprečavanju kontaminacije tragovima metalnih čestica, što može ugroziti termičku aerofilnu stabilnost postupka i odgoditi termičke performanse gotovog vlakna. U ovoj fazi, suspenzija praha i rastvarača ili "premaz" prekursora ima konzistenciju sirupa. Izbor rastvarača, a samim tim i stepen upravljanja agresivnošću premaza (kroz dubinsku filtraciju), ključan je za uspjeh sljedeće faze formiranja vlakana.
Predenje
PAN vlakna se izrađuju metodom koja se naziva mokro predenje. Premaz se uranja u tekuću kadu za prirodni proces i ekstrudira kroz otvor u mlaznici za predenje napravljenoj od plemenitog metala. Prolaz se prilagođava potrebnom broju niti PAN vlakana (npr. 12.000 otvora od 12K karbonskih vlakana). Ova relativno debela i krhka mokro ispredena vlakna se provlače kroz valjak kako bi se uklonio višak sredstva, zatim se suše i rastežu kako bi se nastavila orijentacija PAN smjese. Ovdje se oblik i unutrašnji presjek niti određuju stepenom u kojem odabrano rastvarač i sredstvo prodiru u prekursorska vlakna, količinom primijenjenog napona i produženjem niti. Potonje je vlasništvo svakog proizvođača. Alternativa mokrom predenju može biti mješovita metoda koja se naziva suho pjeskarenje/mokro predenje, koja koristi vertikalni zračni raspor između vlakana i kade za prirodni proces. Ovo dovodi do elegantnih sferičnih PAN vlakana koja poboljšavaju granicu vlakana/matričnog kolofonija unutar kompozita. Posljednji korak u formiranju PAN prekursorskih vlakana je upotreba završnih ulja kako bi se spriječilo aglomeriranje viskoznih filamenata. Bijela PAN vlakna se zatim ponovo suše i namotavaju na kalem.

Oksidacija i karbonizacija

Oksidacija

Ove kaleme se utovaruju u korpu, i tokom najduže proizvodne faze, faze oksidacije, PAN vlakna se provlače kroz niz namjenskih peći. Prije nego što uđu u glavni kuhinjski aparat, PAN vlakna se uvlače u kudjelju ili lim koji se naziva osnova. Temperatura komore se kreće od oko 200 °C do 300 stepeni Celzijusa.

Kako bi izbjegli nekontrolirano oslobađanje topline (procijenjeno oslobađanje entalpije tokom oksidacije, izračunato na 2.000 kJ/kilogram, što predstavlja pravu opasnost od požara), proizvođači kuhinjskih aparata koriste raspršivanje protoka zraka kako bi pomogli u odvođenju topline i kontroli temperature. Pokretano određenim prekursorom, vrijeme oksidacije je različito, ali Littler procjenjuje da će se 24K vlakno mijenjati brzinom od oko 43 stope na 13 metara u minuti na predimenzioniranoj liniji s više oksidacijskih peći. Konačno, alternativna (stabilizirana) PAN vlakna sadrže od oko 500 do oko 65 molekula ugljika, a ostatak je plin, mješavina atomskog broja 7 i O.
Karbonizacija
Karbonizacija se odvija u inertnoj (bezkiseonoj) atmosferi u nizu specijalno dizajniranih peći, postepeno povećavajući temperaturu procesa. Na izlazu iz svake komore, komora za poboljšanje sprječava prodor kisika (O2), jer svaki molekul O2 koji prolazi kroz uređaj uklanja dio vlakana. Ovo može spriječiti gubitak ugljika koji se stvara pri takvoj toplini. U odsustvu O2, uklanjaju se samo molekule koje nisu ugljik, uključujući spojeve i druga isparljiva organska jedinjenja (stabilizirana na nivou od 40 do 80 ppm) i čestice (kao što su djelomično nataloženi fragmenti vlakana) i ispuštaju se iz uređaja na naknadnu obradu u peći s kontroliranim uvjetima. Karbonizacija počinje u temperaturnoj komori, prenoseći vlakna na 700 °C do 800 °C, a završavajući u termičkoj komori na 1200 °C do 1500 °C. 1500 °C). Broj komora određen je modulom potrebnim unutar karbonskih vlakana; relativno visoka cijena karbonskih vlakana visokog i umjerenog visokog modula djelimično je posljedica trajnosti i temperature koju mora postići peć za zagrijavanje. Iako je trajnost vlasnička i svaka vrsta karbonskih vlakana je potpuno drugačija, trajanje oksidacije se izračunava u satima, ali brzina karbonizacije se smanjuje za red veličine u minutama. Nakon što vlakno promijeni stanje, smanjuje težinu i volumen, skraćuje dužinu za 5 do 100% i smanjuje promjer. U stvari, kvantitativni odnos konverzije PAN prekursora u PAN karbonska vlakna je oko 2:1, a sposobnost istiskivanja je manja od par - to jest, mnogo manje materijala ulazi u proces. Ova metodologija kombinira molekule O iz zraka s PAN vlaknima unutar osnove i pokreće umrežavanje složenih lanaca. To će povećati gustoću vlakana sa ~1,18 g / cc do 1,38 g / cc.

Površinska obrada i dimenzioniranje

Površinska obrada i dimenzioniranje
Sljedeći korak je ključan za performanse vlakana i, pored prekursora, najbolje razlikuje proizvod jednog dobavljača od proizvoda konkurenata. Adhezija između matričnog organskog spoja i stoga ugljičnih vlakana je ključna za ojačavanje kompozita; tokom cijelog procesa proizvodnje ugljičnih vlakana, vrši se površinska obrada kako bi se poboljšala ova adhezija.

Vrijeme objave: 01.11.2018.

Kako napraviti karbonska vlakna?

KAKO NAPRAVITI UGLJIČNA VLAKNA?

Polimerizacija i predenje

Oksidacija i karbonizacija

Površinska obrada i dimenzioniranje