KAKO NAPRAVITI UGLJIČNA VLAKNA?

Karbonska vlakna, sastavljena od kombinacija različitih materijala (vlakana i smole), njihova varijabilnost, a time i prilagodljivost, ključni su za njihov šarm. Kao zamjena za metal, kompoziti od karbonskih vlakana pružaju deset puta veću čvrstoću od čelika. Proizvođači karbonskih vlakana stvaraju proizvode koji su slični, ali ne i identični. Karbonska vlakna se razlikuju po modulu vlačne čvrstoće (ili krutosti određenoj kao deformacija ispod naprezanja) te vlačnoj, tlačnoj i zamornoj čvrstoći.

Kontaktirajte nas

Karbonska vlakna na bazi PAN-a danas su dostupna u niskom modulu (manje od trideset dva milijuna lbf/in² ili Msi), uobičajenom modulu (33 do trideset šest Msi), srednjem modulu (40 do pedeset Msi), visokom modulu (50 do sedamdeset Msi) i ultra visokom modulu (70 do 140 Msi).
Najjednostavnije rečeno, karbonska vlakna nastaju promjenom organskih prekursorskih vlakana pridruženog stupnja u inertnoj atmosferi pridruženog stupnja na temperaturama višim od 982,22 °C. Međutim, proizvodnja karbonskih vlakana može biti napredan poduhvat.

Polimerizacija i predenje

Polimerizacija

Proces započinje kemijskom smjesom koja se naziva prekursorom i koja ima molekularnu osnovu vlakna. Danas se oko 100 posto proizvedenih ugljičnih vlakana pravi od prekursora na bazi tkanine ili smole, no većina dolazi od poliakrilonitrila (PAN), proizvedenog od nitrita, a nitrit dolazi od industrijskih kemikalija propana i amonijaka.

Tipično, formulacija prekursora započinje s nitrilnim spojem pridruženog stupnja koji se kombinira u reaktoru s plastificiranim akrilnim komonomerom i katalizatorom poput kiseline, dioksida, ulja vitriola ili kiseline. Kontinuirano miješanje omogućuje sastojcima da se sjedine, stvarajući određenu konzistenciju i čistoću te inicirajući stvaranje slobodnih radikala unutar molekularne strukture nitrita. Ova modifikacija rezultira kemijskim procesom koji proizvodi dugolančane polimere koji oblikuju akrilna vlakna. Detalji kemijskog procesa, poput temperature, atmosfere, specifičnih komonomera i katalizatora, su patentirani. Nakon pranja i sušenja, nitrit u obliku praha otapa se u organskom otapalu pridruženog stupnja poput dimetil sulfida (DMSO), dimetilacetamida (DMAC) ili dimetilformamida (DMF), ili tekućem otapalu pridruženog stupnja, poput klorida s atomskim brojem 30 i rodaminskih soli. Organska otapala pomažu u sprječavanju kontaminacije metalnim česticama u tragovima, što bi moglo naštetiti toplinskoj aerofilnoj stabilnosti postupka i odgoditi toplinske performanse gotovog vlakna. U ovoj fazi, suspenzija praha i otapala ili "premaz" prekursora ima konzistenciju sirupa. Odabir otapala, a time i stupanj upravljanja čvrstoćom premaza (dubinskom filtracijom) ključan je za uspjeh sljedeće faze formiranja vlakana.
Predenje
PAN vlakna se izrađuju metodom koja se naziva mokro predenje. Premaz se uranja u tekuću kadu za prirodni proces i ekstrudira kroz otvor u mlaznici za predenje izrađenoj od plemenitog metala. Prolaz se prilagođava potrebnoj količini niti PAN vlakana (npr. 12 000 otvora od 12K karbonskih vlakana). Ova relativno debela i krhka mokro ispredena vlakna provlače se kroz valjak kako bi se uklonio višak sredstva, zatim se suše i rastežu kako bi se nastavila orijentacija PAN smjese. Ovdje se oblik i unutarnji presjek niti određuju stupnjem u kojem odabrano otapalo i sredstvo prodiru u prekursorska vlakna, količinom primijenjene napetosti i produljenjem niti. Potonje je vlasništvo svakog proizvođača. Alternativa mokrom predenju mogla bi biti mješovita metoda koja se naziva suho pjeskarenje/mokro predenje, koja koristi vertikalni zračni raspor između vlakana i kade za prirodni proces. To dovodi do elegantnih sferičnih PAN vlakana koja poboljšavaju granicu vlakana/matričnog kolofonija unutar kompozita. Posljednji korak u formiranju PAN prekursorskih vlakana je upotreba završnih ulja kako bi se spriječilo aglomeriranje viskoznih filamenata. Bijela PAN vlakna se zatim ponovno suše i namotavaju na kalem.

Oksidacija i karbonizacija

Oksidacija

Ove se kaleme utovaruju u košaru, a tijekom najdulje proizvodne faze, faze oksidacije, PAN vlakna prolaze kroz niz namjenskih peći. Prije nego što uđu u glavni kuhinjski uređaj, PAN vlakna se uvlače u kudjelju ili lim koji se naziva osnova. Temperatura komore kreće se od oko 200 °C do 300 °C.

Kako bi izbjegli nekontrolirano oslobađanje topline (procijenjeno oslobađanje entalpije tijekom oksidacije, izračunato na 2000 kJ/kilogram, što predstavlja pravu opasnost od požara), proizvođači kuhinjskih aparata koriste raspršivanje protoka zraka kako bi pomogli u raspršivanju topline i kontroli temperature. Pokretan određenim prekursorom, vrijeme oksidacije je različito, ali Littler procjenjuje da će se 24K vlakno mijenjati brzinom od oko 43 stope na 13 metara u minuti na predimenzioniranoj liniji s više oksidacijskih peći. Konačno, alternativna (stabilizirana) PAN vlakna sadrže od oko 500 do oko 65 molekula ugljika, a ostatak je plin, mješavina atomskog broja 7 i O.
Pougljenjivanje
Karbonizacija se događa u inertnoj (bezkisikovoj) atmosferi u nizu posebno dizajniranih peći, postupno povećavajući temperaturu procesa. Na izlazu iz svake komore, komora za poboljšanje sprječava prodor O2 jer svaka molekula O2 koja prolazi kroz uređaj uklanja dio vlakana. To može spriječiti gubitak ugljika koji nastaje pri takvoj toplini. U odsutnosti O2, uklanjaju se samo molekule koje nisu ugljik, uključujući spojeve i druge hlapljive organske spojeve (stabilizirane na razini od 40 do 80 ppm) i čestice (poput djelomično taloženih fragmenata vlakana) i ispuštaju se iz uređaja na naknadnu obradu u peći s kontroliranim uvjetima okoline. Karbonizacija započinje u temperaturnoj komori, vlakna se prenose na 700 °C do 800 °C, a završava u toplinskoj komori na 1200 °C do 1500 °C. 1500 °C). Broj komora određen je modulom potrebnim unutar karbonskih vlakana; relativno visoka cijena karbonskih vlakana visokog i umjerenog visokog modula djelomično je posljedica trajnosti i temperature koju treba postići toplinskom peći. Iako je trajnost vlasnička i svaka vrsta karbonskih vlakana je potpuno drugačija, trajnost oksidacije se izračunava u satima, ali brzina karbonizacije se smanjuje za red veličine u minutama. Nakon što vlakno promijeni stanje, smanjuje težinu i volumen, skraćuje duljinu za 5 do 100% i smanjuje promjer. Zapravo, kvantitativni odnos konverzije PAN prekursora u PAN karbonska vlakna je otprilike 2:1, a sposobnost istiskivanja je manja od par - to jest, u proces ulazi mnogo manje materijala. Ova metodologija kombinira molekule O2 iz zraka s PAN vlaknima unutar osnove i pokreće umrežavanje složenih lanaca. To će povećati gustoću vlakana s ~1,18 g / cc do 1,38 g / cc.

Površinska obrada i dimenzioniranje

Površinska obrada i dimenzioniranje
Sljedeći korak je ključan za performanse vlakana i, uz prekursore, najbolje razlikuje proizvod jednog dobavljača od proizvoda konkurenata. Adhezija između organskog spoja matrice i stoga ugljičnih vlakana ključna je za ojačanje kompozita; tijekom cijelog postupka proizvodnje ugljičnih vlakana provodi se površinska obrada kako bi se poboljšala ta adhezija.

Vrijeme objave: 1. studenog 2018.

Kako napraviti karbonska vlakna?

KAKO NAPRAVITI UGLJIČNA VLAKNA?

Polimerizacija i predenje

Oksidacija i karbonizacija

Površinska obrada i dimenzioniranje