چگونه فیبر کربن بسازیم؟

فیبر کربن، که از ترکیب مواد متفاوت (فیبر و رزین) تشکیل شده است، تنوع آنها و بنابراین، قابلیت سفارشی‌سازی، از جذابیت اصلی آنهاست. کامپوزیت‌های فیبر کربن به عنوان جایگزین فلز، ده برابر فولاد استحکام دارند. تولیدکنندگان فیبر کربن محصولاتی تولید می‌کنند که مشابه اما نه یکسان هستند. فیبر کربن از نظر مدول کششی (یا سختی که به عنوان تغییر شکل زیر کرنش تعیین می‌شود) و استحکام کششی، فشاری و خستگی متفاوت است.

تماس با ما

الیاف کربن مبتنی بر PAN امروزه در مدول پایین (کمتر از سی و دو میلیون پوند-نیرو در اینچ مربع یا Msi)، مدول معمولی (۳۳ تا سی و شش Msi)، مدول متوسط (۴۰ تا پنجاه Msi)، مدول بالا (۵۰ تا هفتاد Msi) و مدول فوق العاده بالا (۷۰ تا صد و چهل Msi) موجود است.
به عبارت ساده، الیاف کربن با انتقال الیاف پیش‌ساز آلی در اتمسفر خنثی در دمای بالاتر از ۱۸۰۰ درجه فارنهایت (۹۸۲.۲۲ درجه سانتیگراد) تولید می‌شوند. با این حال، تولید الیاف کربن می‌تواند یک فرآیند پیشرفته باشد.

پلیمریزاسیون و ریسندگی

پلیمریزاسیون

این فرآیند با یک ماده اولیه شیمیایی به نام پیش‌ساز آغاز می‌شود که ستون فقرات مولکولی فیبر را تشکیل می‌دهد. امروزه، تقریباً ۱۰۰ درصد فیبر کربن تولید شده از پارچه یا پیش‌سازهای مبتنی بر قیر ساخته می‌شود، اما بیشتر آن از پلی‌آکریلونیتریل (PAN) که از نیتریت تولید می‌شود، به دست می‌آید و نیتریت از مواد شیمیایی صنعتی پروپان و آمونیاک به دست می‌آید.

معمولاً فرمولاسیون پیش‌ساز با ترکیب نیتریل درجه یک آغاز می‌شود که در یک راکتور بسیار بزرگ با یک کومونومر اکریلیک نرم‌شده و یک کاتالیزور مانند اسید، دی‌اکسید، روغن ویتریول یا اسید ترکیب می‌شود. ترکیب مداوم به مواد تشکیل‌دهنده اجازه می‌دهد تا با هم ترکیب شوند، غلظت و خلوص خاصی ایجاد کنند و تشکیل رادیکال‌های آزاد را در ساختار مولکولی نیتریت آغاز کنند. این تغییر منجر به فرآیند شیمیایی می‌شود که پلیمرهای زنجیره‌ای طولانی تولید می‌کند که الیاف اکریلیک را شکل می‌دهند. جزئیات فرآیند شیمیایی، مانند دما، اتمسفر، کومونومرها و کاتالیزورهای خاص، کاملاً اختصاصی هستند. پس از شستشو و خشک کردن، نیتریت به شکل پودر در حلال آلی درجه یک مانند دیم اتیل سولفید (DMSO)، دی‌متیل‌استامید (DMAC) یا دی‌متیل‌فرمامید (DMF) یا حلال مایع درجه یک مانند کلرید عدد اتمی 30 و نمک‌های رودامین حل می‌شود. حلال‌های آلی به جلوگیری از آلودگی ذرات فلزی جزئی کمک می‌کنند، که ممکن است به پایداری آئروفیلی حرارتی روش آسیب برساند و عملکرد حرارتی فیبر نهایی را به تأخیر بیندازد. در این مرحله، پودر و سوسپانسیون حلال یا «پوشش» پیش‌ساز، همان غلظت شربت را دارد. انتخاب حلال و در نتیجه میزان کنترل غلظت پوشش (از طریق فیلتراسیون عمیق) برای موفقیت مرحله بعدی تشکیل الیاف حیاتی است.
ریسندگی
الیاف PAN با روشی به نام ریسندگی مرطوب ساخته می‌شوند. پوشش در یک وان فرآیند طبیعی مایع غوطه‌ور شده و از طریق یک سوراخ در یک اسپینرت ساخته شده از الیاف با ارزش اکسترود می‌شود. این گذرگاه با انواع مورد نیاز رشته‌های فیبر PAN (به عنوان مثال، ۱۲۰۰۰ سوراخ از فیبر کربن ۱۲K) مطابقت دارد. این الیاف نسبتاً ضخیم و شکننده ریسیده شده مرطوب از طریق یک غلتک کشیده می‌شوند تا عامل اضافی از بین برود، سپس خشک شده و کشیده می‌شوند تا جهت‌گیری ترکیب PAN حفظ شود. در اینجا، شکل و سطح مقطع داخلی رشته‌ها با میزان نفوذ حلال و عامل انتخاب شده به الیاف پیش‌ساز، میزان کشش اعمال شده و همچنین کشیدگی الیاف تعیین می‌شود. مورد دوم مختص هر تولیدکننده است. جایگزینی برای ریسندگی مرطوب می‌تواند یک روش ترکیبی به نام انفجار خشک/ریسندگی مرطوب باشد که از یک شکاف هوای عمودی بین الیاف و وان فرآیند طبیعی استفاده می‌کند. این منجر به یک الیاف کروی براق PAN می‌شود که سطح مشترک الیاف/رزین ماتریس را در کامپوزیت بهبود می‌بخشد. مرحله نهایی در تشکیل الیاف پیش‌ساز PAN، استفاده از روغن‌های تکمیلی برای جلوگیری از تجمع رشته‌های چسبناک است. الیاف سفید PAN سپس دوباره خشک شده و روی یک قرقره پیچیده می‌شوند.

اکسیداسیون و کربنیزاسیون

اکسیداسیون

این بوبین‌ها درون سبد قرار می‌گیرند و در طولانی‌ترین مرحله تولید، یعنی مرحله اکسیداسیون، الیاف PAN از طریق یک سری کوره‌های اختصاصی تغذیه می‌شوند. قبل از ورود به دستگاه اصلی آشپزخانه، الیاف PAN به صورت یک طناب یا ورق به نام تار در می‌آیند. دمای محفظه از 392 درجه فارنهایت (حدود 200 درجه سانتیگراد) تا 572 درجه فارنهایت (300 درجه سانتیگراد) متغیر است.

برای جلوگیری از هدر رفتن گرمای اضافی (هدر رفتن آنتالپی تخمینی در طول اکسیداسیون، قابل محاسبه در ۲۰۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم، خطر واقعی شومینه)، سازندگان لوازم آشپزخانه از جریان هوای گسترده‌ای برای کمک به دفع گرما و کنترل دما استفاده می‌کنند. با توجه به یک ماده شیمیایی پیش‌ساز خاص، زمان اکسیداسیون متفاوت است، اما لیتلر تخمین می‌زند که جریان ۲۴ هزار مایلی با سرعت حدود ۴۳ فوت در ۱۳ متر در دقیقه در یک خط لوله بزرگ با چندین کوره اکسیداسیون تغییر می‌کند. در نهایت، الیاف PAN تغییر یافته (تثبیت‌شده) حاوی حدود پانصدم تا شصت و پنجم مولکول کربن هستند که باقیمانده آن گاز است، ترکیبی از عدد اتمی ۷ و O.
کربنیزاسیون
کربنیزاسیون در یک اتمسفر خنثی (عاری از اکسیژن) در مجموعه‌ای از کوره‌های مخصوص طراحی شده اتفاق می‌افتد که مرحله به مرحله دمای فرآیند را افزایش می‌دهد. در بدنه آب و خروجی هر محفظه، محفظه بهبود از نفوذ O2 جلوگیری می‌کند، زیرا هر مولکول O2 که از دستگاه عبور می‌کند، مقداری از الیاف را حذف می‌کند. این امر می‌تواند از هدر رفتن کربن تولید شده در چنین حرارتی جلوگیری کند. در غیاب O2، فقط مولکول‌های غیرکربنی، از جمله ترکیبات و سایر ترکیبات آلی فرار (که در سطح دمایی چهل تا هشتاد ppm تثبیت شده‌اند) و ذرات (مانند قطعات فیبر نیمه رسوب شده) حذف شده و برای تصفیه پس از پردازش در یک کوره کنترل شده محیطی از دستگاه تخلیه می‌شوند. کربنیزاسیون در یک محفظه دما آغاز می‌شود، الیاف را به دمای ۱۲۹۲ درجه فارنهایت (حدود ۷۰۰ درجه سانتیگراد) تا ۱۴۷۲ درجه فارنهایت (۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد) می‌رساند و در یک محفظه گرما در دمای ۲۱۹۲ درجه فارنهایت (حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) تا ۲۷۳۲ درجه فارنهایت (حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد) پایان می‌یابد. ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد). تعداد محفظه‌ها با توجه به مدول مورد نیاز در فیبر کربن تعیین می‌شود. قیمت نسبتاً بالای الیاف کربن با مدول بالا و مدول بسیار بالا تا حدی به دلیل ماندگاری و دمایی است که باید توسط کوره حرارتی حاصل شود. اگرچه ماندگاری اختصاصی است و هر درجه فیبر کربن متفاوت است، ماندگاری اکسیداسیون بر حسب ساعت محاسبه می‌شود، اما سرعت کربنیزاسیون به میزان زیادی بر حسب دقیقه کاهش می‌یابد. هنگامی که فیبر تغییر حالت می‌دهد، وزن و حجم آن کاهش می‌یابد، طول آن ۵ تا ۱۰۰ درصد کوتاه‌تر می‌شود و قطر آن نیز کاهش می‌یابد. در واقع، نسبت کمی تبدیل پیش‌ساز PAN به الیاف کربن PAN حدود ۲:۱ است و همچنین قابلیت جابجایی آن کمتر از یک جفت است - یعنی مواد بسیار کمتری وارد این روش می‌شوند. این روش مولکول‌های O2 را از هوا با الیاف PAN در تار ترکیب می‌کند و اتصال عرضی زنجیره‌های ترکیبی را آغاز می‌کند. این امر چگالی الیاف را از حدود ۱.۱۸ گرم در سانتی‌متر مکعب به ۱.۳۸ گرم در سانتی‌متر مکعب افزایش می‌دهد.

عملیات سطحی و اندازه گذاری

عملیات سطحی و اندازه گذاری
مرحله بعدی برای عملکرد الیاف ضروری است و علاوه بر پیش‌سازها، به بهترین شکل محصول یک تأمین‌کننده را از محصول رقبا متمایز می‌کند. چسبندگی بین ترکیب آلی ماتریس و الیاف کربن برای تقویت کامپوزیت ضروری است؛ در طول فرآیند تولید الیاف کربن، یک عملیات سطحی برای افزایش این چسبندگی انجام می‌شود.

زمان ارسال: نوامبر-01-2018