KUIDAS VALMISTADA SÜSINIKKIUDU?

Süsinikkiud, mis koosneb erinevate materjalide (kiud ja vaik) kombinatsioonidest, on nende varieeruvus ja seega ka kohandatavus nende võlu keskmes. Metalli asendajana pakuvad süsinikkiust komposiidid kümme korda suuremat tugevust kui teras. Süsinikkiu tootjad loovad tooteid, mis on sarnased, kuid mitte identsed. Süsinikkiud varieerub tõmbemooduli (ehk jäikuse poolest, mis määratakse deformatsioonina pinge all) ning tõmbe-, surve- ja väsimustugevuse poolest.

Võta meiega ühendust

PAN-põhist süsinikkiudu on tänapäeval saadaval madala mooduliga (alla 32 miljoni lbf/in² või Msi), tavalise mooduliga (33–36 Msi), keskmise mooduliga (40–50 Msi), kõrge mooduliga (50–70 Msi) ja ülikõrge mooduliga (70–140 Msi).
Lihtsamalt öeldes luuakse süsinikkiud assotsieerunud astme orgaanilise eelkäijakiu nihutamisel assotsieerunud astme inertses atmosfääris temperatuuril üle 1800 °F (982,22 °C). Süsinikkiu tootmine on aga keerukas ettevõtmine.

Polümerisatsioon ja ketramine

Polümerisatsioon

Protsess algab keemilise ühendi toorainega, mida nimetatakse eelkäijaks ja millel on kiu molekulaarne selgroog. Tänapäeval on umbes 100 protsenti toodetud süsinikkiust valmistatud riidest või pigipõhistest eelkäijatest, kuid suurem osa sellest pärineb polüakrüülnitriilist (PAN), mida toodetakse nitritist, ja nitrit pärineb tööstuskemikaalidest propaanist ja ammoniaagist.

Tavaliselt algab eelkäija koostis assotsieerunud astme nitriilühendiga, mis ühendatakse reaktoris plastifitseeritud akrüülmonomeeri ja katalüsaatoriga, näiteks happe, dioksiidi, väävliõli või happega. Pidev segamine võimaldab koostisosadel ühineda, saavutades teatud konsistentsi ja puhtuse ning algatades vabade radikaalide moodustumise nitriti molekulaarstruktuuris. See modifikatsioon viib keemilise protsessini, mis toodab pika ahelaga polümeere, mis moodustavad akrüülkiude. Keemilise protsessi üksikasjad, nagu temperatuur, atmosfäär, spetsiifilised monomeerid ja katalüsaatorid, on patenteeritud. Pärast pesemist ja kuivatamist lahustatakse pulbriline nitrit assotsieerunud astme orgaanilises lahustis, näiteks dimetüülsulfiidis (DMSO), dimetüülatseetamiid (DMAC) või dimetüülformamiidis (DMF), või assotsieerunud astme vedelas lahustis, näiteks aatomnumbriga 30 kloriidis ja rodamiinsoolades. Orgaanilised lahustid aitavad vältida metalliosakeste jälgedega saastumist, mis võib kahjustada meetodi termilist aerofiilset stabiilsust ja aeglustada valmiskiu kuumust. Selles etapis moodustab pulbri ja lahusti suspensioon ehk eelkäija "kate" siirupi konsistentsi. Lahusti valik ja seega katte kahjustuste kontrollimise aste (põhjaliku filtreerimise abil) on kiudude moodustumise järgneva etapi edukuse seisukohalt üliolulised.
Ketrus
PAN-kiud on valmistatud märgketramise meetodil. Kate kastetakse vedelasse looduslikku protsessivanni ja ekstrudeeritakse läbi augu väärtuslikust materjalist valmistatud ketrusdüüsis. Läbipääs sobitatakse PAN-kiudude vajaliku filamentide arvuga (nt 12 000 auku 12K süsinikkiust). See suhteliselt paks ja habras märgketratud kiud tõmmatakse läbi rulli, et eemaldada liigne aine, seejärel kuivatatakse ja venitatakse, et säilitada PAN-ühendi orientatsioon. Siin määratakse filamentide kuju ja sisemine ristlõige selle järgi, kui palju valitud lahusti ja aine tungivad eellaskiududesse, rakendatud pinge hulk ja filamentide PC-venivus. Viimane on iga tootja omand. Märgketramise alternatiiviks on segameetod, mida nimetatakse kuivpuhastuseks/märgketramiseks, mis kasutab kiudude ja looduslikku protsessivanni vahel vertikaalset õhupilu. See annab sileda ümmarguse PAN-kiu, mis parandab kiu/maatriksi vaigu liidest komposiidis. Viimane samm PAN-eellaskiudude moodustamisel on viimistlusõlide kasutamine viskoossete filamentide aglomeratsiooni vältimiseks. Seejärel kuivatati valged PAN-kiud ruudukujuliselt veel kord ja keriti poolile.

Oksüdeerimine ja karboniseerimine

Oksüdatsioon

Need poolid laaditakse korvi ja pikimas tootmisetapis, oksüdeerimisetapis, juhitakse PAN-kiud läbi rea spetsiaalseid ahjusid. Enne peamisse köögiseadmesse sisenemist moodustatakse PAN-kiudest taku või leht, mida nimetatakse lõimeks. Kambri temperatuur on vahemikus 392 °F (umbes 200 °C) kuni 572 °F (300 kraadi Celsiuse järgi).

Soojuse liigse hajumise vältimiseks (hinnanguline entalpia hajumine oksüdatsiooni ajal, mis on arvutatud 2000 kJ/kg kohta, vaadake tegelikku tuleohtu) kasutavad köögiseadmete tootjad õhuvoolu hajutamist, et aidata soojust hajutada ja temperatuuri reguleerida. Teatud lähteaine kemikaali poolt juhitud oksüdatsiooniaeg on erinev, kuid Littler hindab, et 24K vedelik muutub suurel liinil, millel on mitu oksüdatsiooniahju, kiirusega umbes 43 jalga 13 meetri kohta minutis. Lõpuks sisaldavad muudetud (stabiliseeritud) PAN-kiud umbes 500. kuni 65. süsiniku molekuli, ülejäänud osa on gaas, aatomnumbriga 7 ja O segu.
Karboniseerimine
Karboniseerimine toimub inertses (hapnikuvabas) atmosfääris spetsiaalselt projekteeritud ahjude seerias, kus protsessi temperatuuri järk-järgult tõstetakse. Iga kambri veekogus ja väljalaskeavas hoiab ära töötlemiskamber O2 sissetungi, kuna iga köögiseadmest läbiv O2 molekul eemaldab väikese osa kiudainetest. See võib takistada sellisel kuumusel tekkivat süsiniku kadu. O2 puudumisel eemaldatakse ainult mittesüsiniku molekulid, sealhulgas ühendid ja muud lenduvad orgaanilised ühendid (stabiliseeritud 40–80 ppm tasemel) ja osakesed (näiteks osaliselt ladestunud kiutükid), ning need juhitakse köögiseadmest järeltöötluseks keskkonnasõbralikus ahjus. Karboniseerimine algab temperatuurikambris, kus kiud viiakse temperatuurini 1292 °F (umbes 700–800 °C) ja lõpeb kuumutuskambris temperatuuril 2192 °F (umbes 1200–1500 °C). 1500 °C). Kambrite arv määratakse süsinikkius vajaliku mooduli järgi; kõrge ja mõõdukalt kõrge mooduliga süsinikkiudude suhteliselt kõrge hind tuleneb osaliselt kuumutusahju poolt saavutatavast vastupidavusest ja temperatuurist. Kuigi vastupidavus on patenteeritud ja iga süsinikkiu klass on erinev, arvutatakse oksüdatsioonikindlus tundides, kuid karboniseerimiskiirus väheneb suurusjärgu võrra minutites. Kui kiud on olekut muutnud, vähendab see kaalu ja mahtu, lühendab pikkust 5–100% ja vähendab läbimõõtu. Tegelikult on PAN-eelkäija ja PAN-süsinikkiu konversiooni kvantitatiivne suhe umbes 2:1 ja nihutusvõime on väiksem kui paaril – see tähendab, et protsessi siseneb palju vähem materjali. See meetod ühendab õhust pärit O2-molekulid PAN-kiududega lõimes ja algatab ühendikettide ristseostumise. See suurendab kiudude tihedust ~1,18 g/cm3-lt 1,38 g/cm3-ni.

Pinnatöötlus ja kruntimine

Pinnatöötlus ja kruntimine
Järgmine samm on oluline kiudude toimivuse seisukohalt ning lisaks lähteainetele eristab see kõige paremini ühe tarnija toodet konkurentide toodetest. Maatriksi orgaanilise ühendi ja seega ka süsinikkiudude vaheline adhesioon on komposiidi tugevdamiseks oluline; kogu süsinikkiudude tootmisprotsessi käigus tehakse selle adhesiooni parandamiseks pinnatöötlus.

Postituse aeg: 01.11.2018

Kuidas teha süsinikkiudu?

KUIDAS VALMISTADA SÜSINIKKIUDU?

Polümerisatsioon ja ketramine

Oksüdeerimine ja karboniseerimine

Pinnatöötlus ja kruntimine