Jak vyrobit uhlíkové vlákno?

Uhlíková vlákna, složená z kombinací různých materiálů (vlákna a pryskyřice), jejich variabilita a tedy i přizpůsobitelnost, jsou klíčové pro jejich kouzlo. Jako náhrada kovu poskytují kompozity z uhlíkových vláken desetkrát větší pevnost než ocel. Výrobci uhlíkových vláken vytvářejí produkty, které jsou sice podobné, ale ne identické. Uhlíková vlákna se liší modulem tahu (nebo tuhostí určenou jako deformace pod napětím) a pevností v tahu, tlaku a únavě.

Uhlíková vlákna na bázi PAN jsou v dnešní době k dispozici s nízkým modulem (méně než 32 milionů lbf/in² nebo Msi), standardním modulem (33 až 36 Msi), středním modulem (40 až 50 Msi), vysokým modulem (50 až 70 Msi) a ultravysokým modulem (70 až 140 Msi).
Jednoduše řečeno, uhlíková vlákna se vyrábějí přeměnou organického prekurzorového vlákna přidruženého stupně v inertní atmosféře při teplotách vyšších než 982,22 °C (1800 °F). Výroba uhlíkových vláken však může být pokročilým odvětvím.

uhlíkové vlákno

Polymerace a zvlákňování

Polymerizace

Proces začíná chemickou směsí vstupní suroviny označovanou jako prekurzor, která má molekulární kostru vlákna. Dnes je přibližně 100 procent vyrobených uhlíkových vláken vyrobeno z prekurzorů na bázi tkaniny nebo smoly, avšak většina z nich pochází z polyakrylonitrilu (PAN), vyrobeného z dusitanů, a dusitany pocházejí z průmyslových chemikálií propanu a amoniaku.

Typicky začíná příprava prekurzoru nitrilovou sloučeninou přidruženého stupně, která se v reaktoru smíchá s plastifikovaným akrylovým komonomerem a katalyzátorem, jako je kyselina, oxid uhličitý, vitriolový olej nebo kyselina. Neustálé míchání umožňuje složení propojit se, čímž se dosáhne určité konzistence a čistoty a iniciuje se tvorba volných radikálů v molekulární struktuře dusitanů. Tato modifikace vede k chemickému procesu, který produkuje polymery s dlouhým řetězcem, které tvoří akrylová vlákna. Podrobnosti chemického procesu, jako je teplota, atmosféra, specifické komonomery a katalyzátory, jsou chráněny. Po vyprání a sušení se dusitan ve formě prášku rozpustí v organickém rozpouštědle přidruženého stupně, jako je dimethylsulfid (DMSO), dimethylacetamid (DMAC) nebo dimethylformamid (DMF), nebo v kapalném rozpouštědle přidruženého stupně, jako je chlorid sodný a soli rhodaminu. Organická rozpouštědla pomáhají zabránit kontaminaci stopovými kovovými částicemi, které by mohly poškodit tepelnou aerofilní stabilitu procesu a zpozdit tepelný výkon hotového vlákna. V této fázi má suspenze prášku a rozpouštědla neboli „povlak“ prekurzoru konzistenci sirupu. Výběr rozpouštědla a tím i stupeň regulace agresivnosti povlaku (prostřednictvím hloubkové filtrace) je zásadní pro úspěch následné fáze tvorby vláken.
Předení
PAN vlákna se vyrábějí metodou zvanou mokré zvlákňování. Povlak se ponoří do kapalné lázně s přírodním procesem a protlačí se otvorem ve zvlákňovací trysce vyrobené z kovu. Průchod je přizpůsoben požadovanému počtu vláken PAN vlákna (např. 12 000 otvorů z uhlíkových vláken 12K). Toto poměrně silné a křehké mokré zvlákňované vlákno se protahuje válcem, aby se odstranilo přebytečné činidlo, poté se suší a natahuje, aby se zachovala orientace PAN směsi. Zde je tvar a vnitřní průřez vláken určen mírou, do jaké zvolené rozpouštědlo a činidlo pronikají do prekurzorových vláken, množstvím aplikovaného napětí a prodloužením vláken. To druhé je vlastnictvím každého výrobce. Alternativou k mokrému zvlákňování by mohla být smíšená metoda zvaná suché tryskání/mokré zvlákňování, která využívá vertikální vzduchovou mezeru mezi vlákny a lázní s přírodním procesem. To vede k elegantnímu sférickému PAN vláknu, které vylepšuje rozhraní vlákna a matrice kalafuny v kompozitu. Posledním krokem při tvorbě prekurzorových PAN vláken je použití dokončovacích olejů k zabránění shlukování viskózních vláken. Bílá PAN vlákna se poté znovu vysuší a navinou na cívku.
pec na oxidaci uhlíkových vláken

Oxidace a karbonizace

Oxidace

Tyto cívky se vkládají do koše a během nejdelší výrobní, oxidační fáze, procházejí vlákna PAN řadou specializovaných pecí. Než vstoupí do hlavního kuchyňského spotřebiče, vlákna PAN se srolují do koudele nebo listu zvaného osnova. Teplota komory se pohybuje od cca 200 °C do 300 °C.

Aby se zabránilo nekontrolovanému uvolnění tepla (odhadované uvolnění entalpie během oxidace, vypočítané na 2 000 kJ/kilogram, což je skutečné riziko ohně), výrobci kuchyňských spotřebičů používají rozptyl proudění vzduchu, které pomáhá odvádět teplo a regulovat teplotu. Poháněno konkrétní prekurzorovou chemikálií je doba oxidace odlišná, ale Littler odhaduje, že vlákno 24K se bude měnit rychlostí asi 43 stop na 13 metrů za minutu na nadměrně velké lince s několika oxidačními pecemi. Nakonec, stabilizovaná (pAN) vlákna obsahují od asi 500 do asi 650 molekul uhlíku, přičemž zbytek tvoří plyn, směs atomového čísla 7 a O.
Karbonizace
Karbonizace probíhá v inertní (bezkyslíkaté) atmosféře v sérii speciálně navržených pecí, čímž se postupně zvyšuje procesní teplota. V oblasti vody a na výstupu z každé komory zlepšovací komora zabraňuje pronikání O2, protože každá molekula O2 procházející spotřebičem odstraňuje část vláken. To může zabránit ztrátě uhlíku generovaného při takovém zahřívání. Za nepřítomnosti O2 se odstraňují pouze neuhlíkové molekuly, včetně sloučenin a dalších těkavých organických sloučenin (stabilizovaných na úrovni 40 až 80 ppm) a částic (jako jsou částečně usazené fragmenty vláken) a vypouštějí se ze spotřebiče k následnému zpracování v peci s řízeným zahříváním. Karbonizace začíná v teplotní komoře, kde se vlákna ohřívají na 700 až 800 °C a končí v tepelné komoře při teplotě 1 200 až 1 500 °C. 1500 °C). Počet komor je určen modulem potřebným v uhlíkových vláknech; poměrně vysoká cena uhlíkových vláken s vysokým a středně vysokým modulem je částečně způsobena trvanlivostí a teplotou, které musí být dosaženo v tepelné peci. Ačkoli je trvanlivost patentovaná a každý druh uhlíkových vláken je zcela jiný, oxidační trvání se počítá v hodinách, ale rychlost karbonizace se v minutách sníží o řád. Jakmile vlákno změní skupenství, sníží se jeho hmotnost a objem, zkrátí se jeho délka o 5 až 100 % a zmenší se průměr. Ve skutečnosti je kvantitativní poměr přeměny prekurzoru PAN na uhlíková vlákna PAN přibližně 2:1 a schopnost vytlačování je menší než u dvou – to znamená, že do procesu vstupuje mnohem méně materiálu. Tato metoda kombinuje molekuly O ze vzduchu s vlákny PAN v osnově a iniciuje zesíťování složených řetězců. To zvýší hustotu vláken z ~1,18 g/cm3 na 1,38 g/cm3.
Karbonizace uhlíkových vláken

Povrchová úprava a dimenzování

Povrchová úprava a dimenzování
Další krok je zásadní pro výkon vláken a kromě prekurzorů nejlépe odlišuje produkt jednoho dodavatele od produktu konkurence. Adheze mezi matriční organickou sloučeninou a uhlíkovými vlákny je nezbytná pro vyztužení kompozitu; v průběhu výroby uhlíkových vláken se provádí povrchová úprava, která tuto adhezi zvyšuje.

Výrobci používají zcela odlišné metody úpravy, ale standardní technikou je protahování vláken přes sdruženou chemii nebo buňku obsahující roztok, jako je dezinfekční prostředek nebo kyselina. Tyto materiály tisknou nebo mění povrch každého vlákna, což zvětšuje prostor dostupný pro povrchové spojení vlákna/matrice a přidává reaktivní chemické skupiny, jako jsou karboxylové kyseliny. Poté se nanese vysoce patentovaný povlak známý jako lepidlo. V množství 0,5 až 5 % hmotnosti uhlíkových vláken lepidlo chrání uhlíková vlákna v sdruženém mezilehlém stavu, jako je suchá tkanina a prepreg, během celého procesu (např. tkaní). Lepidlo také drží monofilamenty podél, aby se snížilo chmýří, zlepšila se technologická kapacita a zvýšila se povrchová smyková pevnost mezi vlákny a tím i složkou matrice.

Čas zveřejnění: 1. listopadu 2018
Online chat na WhatsAppu!