HVORDAN LAVER MAN KULFIBER?

Kulfiber, der er sammensat af kombinationer af forskellige materialer (fiber og harpiks), deres variation og dermed tilpasningsevne, er centrale for deres charme. Som metalerstatning giver kulfiberkompositter ti gange styrken af stål. Kulfiberproducenter skaber produkter, der er ens, men ikke identiske. Kulfiber varierer i trækmodul (eller stivhed målt som deformation under belastning) og træk-, tryk- og udmattelsesstyrke.

Kontakt os

PAN-baseret kulfiber fås i dag i lav modulus (mindre end 32 millioner lbf/in² eller Msi), standardmodulus (33 til 36 Msi), mellemmodulus (40 til 50 Msi), højmodulus (50 til 70 Msi) og ultrahøjmodulus (70 til 140 Msi).
Enkelt sagt fremstilles kulfiber ved at flytte organiske forløberfibre af associeret grad i en inert atmosfære ved temperaturer højere end 982,22 °C (1800 °F). Fremstilling af kulfiber er dog en avanceret virksomhed.

Polymerisering og spinding

Polymerisering

Processen begynder med et kemisk sammensat råmateriale, der kaldes en forløber, og som har fiberens molekylære rygrad. I dag er omkring 100 procent af den producerede kulfiber lavet af stof- eller begbaserede forløbere, men det meste kommer fra polyacrylonitril (PAN), der er fremstillet af nitrit, og nitrit kommer fra de industrielle kemikalier propan og ammoniak.

Typisk begynder prækursorformuleringen med en nitrilforbindelse af associeret grad, der kombineres i en reaktor med en blødgjort akryl-co-monomer og en katalysator såsom syre, dioxid, olie, vitriol eller syre. Kontinuerlig blanding tillader ingredienserne at kombineres, hvilket sikrer konsistens og renhed og initierer dannelsen af frie radikaler i nitritens molekylære struktur. Denne modifikation resulterer i en kemisk proces, der producerer langkædede polymerer, der danner akrylfibre. Detaljer om den kemiske proces, såsom temperatur, atmosfære, specifikke co-monomerer og katalysatorer, er proprietære. Efter vask og tørring opløses nitritten i pulverform i et organisk opløsningsmiddel af associeret grad, såsom dimethylsulfid (DMSO), dimethylacetamid (DMAC) eller dimethylformamid (DMF), eller et flydende opløsningsmiddel af associeret grad, såsom atomnummer 30-chlorid og rhodaminsalte. Organiske opløsningsmidler hjælper med at undgå spor af metalpartikler, hvilket kan skade processens termiske aerofile stabilitet og forsinke den færdige fibers varmeegenskaber. På dette trin har pulver- og opløsningsmiddelsuspensionen eller prækursor-"belægningen" konsistensen af sirup. Valget af opløsningsmiddel og dermed graden af kontrol over belægningens hårdhed (gennem dybdefiltrering) er afgørende for succesen i den efterfølgende fase af fiberdannelsen.
Spinning
PAN-fibre fremstilles ved en metode kaldet vådspinding. Belægningen nedsænkes i et flydende naturproceskar og ekstruderes gennem et hul i en spindedyse fremstillet af værdifuldt materiale. Passagen tilpasses det ønskede antal filamenter i PAN-fiberen (f.eks. 12.000 huller af 12K kulfiber). Denne forholdsvis tykke og sprøde vådspundne fiber trækkes gennem en valse for at fjerne overskydende middel, tørres derefter og strækkes for at fortsætte PAN-forbindelsens orientering. Her bestemmes filamenternes form og indre tværsnit af, i hvor høj grad det valgte opløsningsmiddel og middel trænger ind i forløberfibrene, mængden af påført spænding og filamenternes pc-forlængelse. Sidstnævnte er proprietært for hver producent. Et alternativ til vådspinding kan være en blandet metode kaldet tørblæsning/vådspinding, der bruger et lodret luftgab mellem fibrene og naturproceskarret. Dette fører til en glat, sfærisk PAN-fiber, der forbedrer fiber/matrix-harpiks-grænsefladen i kompositten. Det sidste trin i dannelsen af PAN-forløberfibre er brugen af efterbehandlingsolier for at forhindre viskose filamenter i at agglomerere. De hvide PAN-fibre tørres derefter igen og vikles på en spole.

Oxidation og karbonisering

Oxidation

Disse spoler lægges i kurven, og i den længste produktionsfase, oxidationsfasen, føres PAN-fibrene gennem en række dedikerede ovne. Før de kommer ind i det primære køkkenapparat, bliver PAN-fibrene blødgjort til et bånd eller ark kaldet en kædetråd. Kammertemperaturen varierer fra ca. 200 °C til 300 °C.

For at undgå løbsk varmeaflastning (estimeret entalpiaflastning under oxidation, beregnet til 2.000 kJ/kilogram, hvilket svarer til den faktiske ildrisiko), bruger producenter af køkkenapparater en spredning af luftstrømme til at hjælpe med at aflede varme og kontrollere temperaturen. Drevet af et bestemt forløberkemikalie er oxidationstiden helt anderledes, men Littler anslår, at 24K-bølgen vil blive ændret med en hastighed på omkring 43 fod pr. 13 meter pr. minut på en overdimensioneret linje med flere oxidationsovne. Endelig indeholder de alternative (stabiliserede) PAN-fibre fra omkring 500. til omkring 65. kulstofmolekyler, hvor resten er gas, en blanding af atomnummer 7 og O.
Karbonisering
Karbonisering sker under en inert (iltfri) atmosfære i en række specialdesignede ovne, hvor procestemperaturen trin for trin øges. Ved vandmassen og udløbet fra hvert kammer forhindrer forbedringskammeret O2-indtrængning, da hvert O2-molekyle, der passerer gennem køkkenapparatet, fjerner noget af fibrene. Dette kan forhindre tabet af kulstof, der genereres ved en sådan varme. I fravær af O2 fjernes kun ikke-kulstofmolekyler, inklusive forbindelser og andre flygtige organiske forbindelser (stabiliseret ved et niveau på 40 til 80 ppm) og partikler (såsom delvist aflejrede fiberfragmenter), og udledes fra køkkenapparatet til efterbehandling i en miljøkontrolleret ovn. Karboniseringen begynder i et temperaturkammer, hvor fibrene overføres til 1292 °F (ca. 700 °C) til 1472 °F (700 °C til 800 °C) og slutter i et varmekammer ved 2192 °F (ca. 1.200 °C) til 2732 °F (ca. 1.500 °C). 1500 °C). Antallet af kamre bestemmes af det nødvendige modul i kulfiberen; den forholdsvis høje pris for kulfibre med højt og umodent højt modul skyldes delvist den kontinuitet og temperatur, der skal opnås af varmeovnen. Selvom kontinuiteten er proprietær, og hver kulfiberkvalitet er helt forskellig, beregnes oxidationskontinuiteten i timer, men karboniseringshastigheden reduceres med en størrelsesorden i minutter. Når fiberen skifter tilstand, reducerer den vægt og volumen, forkorter længden med fem til 100 % og reducerer diameteren. Faktisk er det kvantitative forhold mellem PAN-forløberen og PAN-kulfiberen omkring 2:1, og forskydningsevnen er mindre end to - det vil sige, at meget mindre materiale kommer ind i processen. Denne metode kombinerer O2-molekyler fra luften med PAN-fibre i kædetråden og initierer tværbinding af forbindelseskæderne. Dette vil øge fiberdensiteten fra ~1,18 g/cc til 1,38 g/cc.

Overfladebehandling og dimensionering

Overfladebehandling og dimensionering
Det næste trin er afgørende for fiberens ydeevne, og ud over forstadierne adskiller det bedst en leverandørs produkt fra konkurrenternes produkter. Adhæsionen mellem den organiske matrixforbindelse og dermed kulfibrene er afgørende for at forstærke kompositten; under hele kulfiberproduktionsprocessen udføres en overfladebehandling for at forbedre denne vedhæftning.

Opslagstidspunkt: 1. november 2018

Hvordan laver man kulfiber?

HVORDAN LAVER MAN KULFIBER?

Polymerisering og spinding

Oxidation og karbonisering

Overfladebehandling og dimensionering