MITEN VALMISTAA HIILIKUITUA?

Hiilikuitu, joka koostuu erilaisten materiaalien (kuidun ja hartsin) yhdistelmistä, niiden vaihtelevuus ja siten räätälöitävyys ovat keskeisiä niiden viehätyksen kannalta. Metallin korvikkeena hiilikuitukomposiitit tarjoavat kymmenen kertaa teräksen lujuuden. Hiilikuituvalmistajat luovat tuotteita, jotka ovat samanlaisia, mutta eivät identtisiä. Hiilikuidun vetolujuusmoduuli (tai jäykkyys, joka määritetään muodonmuutoksena venymän alla) sekä veto-, puristus- ja väsymislujuus vaihtelevat.

Ota yhteyttä

PAN-pohjaista hiilikuitua on nykyään saatavilla matalalla moduulilla (alle 32 miljoonaa lbf/in² tai Msi), tavanomaisella moduulilla (33–36 Msi), keskitason moduulilla (40–50 Msi), korkealla moduulilla (50–70 Msi) ja erittäin korkealla moduulilla (70–140 Msi).
Yksinkertaisesti sanottuna hiilikuitu valmistetaan siirtämällä orgaanista esiastekuitua inertissä ilmakehässä yli 1800 °F:n (982,22 °C) lämpötiloissa. Hiilikuidun valmistus on kuitenkin edistynyt prosessi.

Polymerointi ja kehruu

Polymerointi

Prosessi alkaa kemiallisella yhdisteraaka-aineella, jota kutsutaan esiasteeksi ja jolla on kuidun molekyylirunko. Nykyään noin 100 prosenttia tuotetusta hiilikuidusta valmistetaan kangas- tai pihkapohjaisista esiasteista, mutta suurin osa siitä on peräisin nitriitistä valmistetusta polyakrylonitriilistä (PAN), ja nitriitti on peräisin teollisuuskemikaaleista propaanista ja ammoniakista.

Tyypillisesti esiasteformulaatio alkaa nitriiliyhdisteellä, joka yhdistetään reaktorissa plastisoidun akryylimonomeerin ja katalyytin, kuten hapon, dioksidin, rikkihapon tai hapon, kanssa. Jatkuva yhdistäminen mahdollistaa ainesosien yhdistymisen, mikä varmistaa tietyn konsistenssin ja puhtauden ja käynnistää vapaiden radikaalien muodostumisen nitriitin molekyylirakenteessa. Tämä modifikaatio johtaa kemialliseen prosessiin, joka tuottaa pitkäketjuisia polymeerejä, jotka muodostavat akryylikuituja. Kemiallisen prosessin yksityiskohdat, kuten lämpötila, ilmakehä, spesifiset monomeerit ja katalyytit, ovat patentoituja. Pesun ja kuivauksen jälkeen jauhemainen nitriitti liuotetaan nitriiliasteikolla varustettuun orgaaniseen liuottimeen, kuten dimetyylietyylisulfidiin (DMSO), dimetyyliasetamidiin (DMAC) tai dimetyyliformamidiin (DMF), tai nitriiliasteikolla varustettuun nestemäiseen liuottimeen, kuten atominumero 30 olevaan kloridiin ja rodamiinisuoloihin. Orgaaniset liuottimet auttavat välttämään metallihiukkasten jäämien kontaminaatiota, joka voi vahingoittaa menetelmän lämpöaerofiilistä stabiilisuutta ja viivästyttää valmiin kuidun lämpöominaisuuksia. Tässä vaiheessa jauhe- ja liuotinsuspensio eli esiaste"pinnoite" muodostaa siirapin konsistenssin. Liuottimen valinta ja siten pinnoitteen haitallisuuden hallinta (syväsuodatuksen avulla) ovat ratkaisevan tärkeitä kuidunmuodostuksen seuraavan vaiheen onnistumiselle.
Kehruu
PAN-kuidut valmistetaan märkäkehräysmenetelmällä. Pinnoite upotetaan nestemäiseen prosessikylpyyn ja puristetaan reiän läpi arvokkaasta materiaalista valmistetussa kehruusuulakkeessa. Läpikulku sovitetaan PAN-kuidun vaadittuun filamenttien määrään (esim. 12 000 reikää 12K hiilikuitua). Tämä suhteellisen paksu ja hauras märkäkehrätty kuitu vedetään telan läpi ylimääräisen aineen poistamiseksi, sitten se kuivataan ja venytetään PAN-yhdisteen orientaation säilyttämiseksi. Tässä filamenttien muoto ja sisäinen poikkileikkaus määräytyvät sen mukaan, missä määrin valittu liuotin ja aine tunkeutuvat esiastekuituihin, käytetyn jännityksen määrän ja filamenttien PC-venymän mukaan. Jälkimmäinen on jokaisen valmistajan omaisuutta. Märkäkehräyksen vaihtoehtona on sekamenetelmä, jota kutsutaan kuivapuhallukseksi/märkäkehräykseksi, jossa käytetään pystysuoraa ilmarakoa kuitujen ja luonnollisen prosessikylvyn välillä. Tämä johtaa sileään, pyöreään PAN-kuituun, joka parantaa kuidun ja matriisin hartsin rajapintaa komposiitissa. Viimeinen vaihe PAN-esiintymiskuitujen muodostumisessa on viimeistelyöljyjen käyttö viskoosien filamenttien agglomeroitumisen estämiseksi. Valkoiset PAN-kuidut kuivattiin sitten uudelleen ja kelattiin kelalle.

Hapettuminen ja hiilestyminen

Hapettuminen

Nämä puolat lastataan koriin, ja pisimmässä tuotantovaiheessa, hapetusvaiheessa, PAN-kuidut syötetään useiden erillisten uunien läpi. Ennen kuin ne saapuvat pääkeittiölaitteeseen, PAN-kuidut muodostuvat toukiksi tai levyksi, jota kutsutaan loimeksi. Kammion lämpötila vaihtelee noin 200 °C:sta 300 celsiusasteeseen.

Välttääkseen karkaavan lämmön haihtumisen (arvioitu entalpian haihtuminen hapettumisen aikana, laskettavissa 2 000 kJ/kg, siirry todelliseen tulipaloriskiin), keittiökonevalmistajat käyttävät erilaisia ilmavirtauksia lämmön haihduttamiseksi ja lämpötilan hallitsemiseksi. Tietyn esiastekemikaalin ohjaamana hapettumisaika on erilainen, mutta Littler arvioi, että 24K-hiili muuttuu noin 43 jalkaa 13 metriä minuutissa suurella linjalla, jossa on useita hapetusuuneja. Lopuksi, muuttuneet (stabiloidut) PAN-kuidut sisältävät noin 500–65 hiilimolekyyliä, ja loput ovat kaasua, järjestysnumero 7:n ja O:n seosta.
Hiilistyminen
Hiilestyminen tapahtuu inertissä (hapettomassa) ilmakehässä sarjassa erityisesti suunniteltuja uuneja, joissa prosessilämpötilaa nostetaan vaiheittain. Jokaisen kammion vesisäiliössä ja ulostulossa lämmityskammio estää O2:n tunkeutumisen, koska jokainen keittiölaitteen läpi kulkeva O2-molekyyli poistaa osan kuiduista. Tämä voi estää tällaisessa lämpötilassa syntyvän hiilen hävikin. O2:n puuttuessa poistetaan vain ei-hiilimolekyylit, mukaan lukien yhdisteet ja muut haihtuvat orgaaniset yhdisteet (stabiloitu 40–80 ppm:n pitoisuuteen) ja hiukkaset (kuten osittain kerrostuneet kuitupalat), ja ne poistetaan keittiölaitteesta jälkikäsittelyyn ympäristöystävällisessä uunissa. Hiilestyminen alkaa lämpötilakammiossa, jossa kuidut lämmitetään noin 700–800 °C:n lämpötilaan ja päättyy lämpökammiossa noin 1 200–1 500 °C:n lämpötilaan. 1500 °C). Kammioiden lukumäärä määräytyy hiilikuidulta vaadittavan moduulin mukaan; korkean ja kohtalaisen korkean moduulin omaavien hiilikuitujen suhteellisen korkea hinta johtuu osittain jatkuvuudesta ja lämpötilasta, joka lämpöuunin on saavutettava. Vaikka jatkuvuus on patentoitu ja jokainen hiilikuitulaatu on täysin erilainen, hapettumisjatkuvuus lasketaan tunneissa, mutta hiilestymisnopeus hidastuu suuruusluokkaa minuuteissa. Kun kuitu on muuttanut olomuotoaan, se vähentää painoa ja tilavuutta, lyhentää pituutta 5–100 % ja pienentää halkaisijaa. Itse asiassa PAN-esiasteen ja PAN-hiilikuidun konversiosuhde on noin 2:1 ja syrjäytyskyky on pienempi kuin parilla – eli prosessiin tulee paljon vähemmän materiaalia. Tämä menetelmä yhdistää ilmasta peräisin olevia O2-molekyylejä loimen PAN-kuituihin ja käynnistää yhdisteketjujen silloittumisen. Tämä lisää kuidun tiheyttä noin 1,18 g/cm3:stä 1,38 g/cm3:iin.

Pintakäsittely ja mitoitus

Pintakäsittely ja mitoitus
Seuraava vaihe on olennainen kuidun suorituskyvyn kannalta, ja lähtöaineiden lisäksi se erottaa parhaiten yhden toimittajan tuotteen kilpailijoiden tuotteista. Matriisiyhdisteen ja siten hiilikuitujen välinen tartunta on olennaista komposiitin vahvistamiseksi; hiilikuidun valmistusmenetelmän aikana suoritetaan pintakäsittely tämän tartunnan parantamiseksi.

Julkaisun aika: 1.11.2018

Miten hiilikuitua valmistetaan?

MITEN VALMISTAA HIILIKUITUA?

Polymerointi ja kehruu

Hapettuminen ja hiilestyminen

Pintakäsittely ja mitoitus