Hogyan készítsünk szénszálat?

A szénszál, amely különböző anyagok (szál és gyanta) kombinációiból áll, változékonyságuk, és így testreszabhatóságuk központi szerepet játszik vonzerejükben. Fémhelyettesítőként a szénszálas kompozitok tízszeres szilárdságot biztosítanak az acélnál. A szénszálgyártók hasonló, de nem teljesen azonos termékeket hoznak létre. A szénszálak szakító modulusa (vagy merevsége, amelyet a nyúlás alatti deformációként határoznak meg), valamint szakító-, nyomó- és fáradási szilárdsága eltérő.

A PAN-alapú szénszál manapság alacsony modulussal (kevesebb, mint 32 millió lbf/in² vagy Msi), normál modulussal (33-36 Msi), közepes modulussal (40-50 Msi), nagy modulussal (50-70 Msi) és ultramagas modulussal (70-140 Msi) kapható.
Egyszerűbben fogalmazva, a szénszálat szerves prekurzor szálak inert atmoszférában, 1800°F (982,22°C) feletti hőmérsékleten történő eltolásával állítják elő. A szénszál gyártása azonban egy fejlett vállalkozás.

szénszál

Polimerizáció és fonás

Polimerizáció

A folyamat egy kémiai vegyület alapanyagával kezdődik, amelyet prekurzornak neveznek, és amely a szál molekuláris gerincét alkotja. Napjainkban a gyártott szénszálak körülbelül 100 százaléka szövetből vagy szurokból készült prekurzorokból készül, de a legtöbbjük poliakrilnitrilből (PAN) származik, amelyet nitritből állítanak elő, a nitrit pedig a propánból és az ammóniából, az ipari vegyi anyagokból származik.

A prekurzor formuláció jellemzően egy nitritvegyülettel kezdődik, amelyet egy reaktorban egy lágyított akril komonomerrel és egy katalizátorral, például savval, dioxiddal, kálium-szulfáttal vagy savval kombinálnak. A folyamatos keverés lehetővé teszi az összetevők egyesülését, bizonyos állagot és tisztaságot biztosítva, és megindítva a szabad gyökök képződését a nitrit molekulaszerkezetében. Ez a módosítás kémiai folyamatot eredményez, amely hosszú szénláncú polimereket eredményez, amelyek akril szálakat alkotnak. A kémiai folyamat részletei, mint például a hőmérséklet, a légkör, az egyes komonomerek és katalizátorok, szabadalmaztatottak. Mosás és szárítás után a por formájában lévő nitritet asszociált szerves oldószerben, például dimetil-etil-szulfidban (DMSO), dimetil-acetamidban (DMAC) vagy dimetil-formamidban (DMF), vagy asszociált folyékony oldószerben, például 30-as rendszámú kloridban és rodaminsókban oldják. A szerves oldószerek segítenek elkerülni a nyomokban fémrészecskék szennyeződését, ami károsíthatja a folyamat termikus aerofil stabilitását és késleltetheti a kész szál hőteljesítményét. Ebben a szakaszban a por és oldószer szuszpenziója vagy prekurzor "bevonata" a szirup állagát adja. Az oldószer kiválasztása és így a bevonat szennyezőanyag-tartalmának szabályozási mértéke (mélyszűrésen keresztül) kulcsfontosságú a szálképzés következő szakaszának sikeréhez.
Fonás
A nedves fonásnak nevezett módszerrel előállított PAN szálak négyzetes méretben készülnek. A bevonatot folyékony természetes eljárású fürdőbe merítik, és egy értékes anyagból készült fonófejen keresztül egy lyukon keresztül extrudálják. Az átjárót a PAN szál kívánt szálszámához igazítják (pl. 12 000 lyuk 12K szénszálból). Ezt a viszonylag vastag és törékeny, nedvesen fonott szálat egy hengeren húzzák át, hogy eltávolítsák a felesleges anyagot, majd szárítják és nyújtják, hogy fenntartsák a PAN vegyület orientációját. Itt a szálak alakját és belső keresztmetszetét az határozza meg, hogy a kiválasztott oldószer és anyag milyen mértékben hatol be az előanyag szálakba, az alkalmazott feszültség mértéke és a szálak PC-nyúlása. Ez utóbbi minden gyártó saját tulajdona. A nedves fonás alternatívája lehet egy vegyes eljárás, amelyet száraz szemcseszórásnak/nedves fonásnak neveznek, és amely függőleges légrést használ a szálak és a természetes eljárású fürdő között. Ez egy sima, gömb alakú PAN szálat eredményez, amely javítja a szál/mátrix gyanta határfelületét a kompozitban. A PAN előanyag szálak előállításának utolsó lépése a felületkezelő olajok használata, amelyek megakadályozzák a viszkózus szálak összetapadását. A fehér PAN szálakat négyzet alakúra vágva ismét megszárították, majd feltekerték egy orsóra.
szénszálas oxidációs kemence

Oxidáció és karbonizáció

Oxidáció

Ezeket az orsókat a kosárba helyezik, és a leghosszabb gyártási, oxidációs szakaszban a PAN szálakat egy sor erre a célra szolgáló kemencén vezetik át. Mielőtt a fő konyhai készülékbe kerülnének, a PAN szálak egy kócba vagy lemezbe, az úgynevezett láncfonalba rendeződnek. A kamra hőmérséklete kb. 200 °C és 300 Celsius fok között mozog.

A túlzott hőfelszabadulás elkerülése érdekében (az oxidáció során a becsült entalpiafelszabadulás 2000 kJ/kg-ra számítható, lásd a valódi tűzveszélyt) a konyhai gépgyártók a levegőáramlás különböző módjait alkalmazzák a hő eloszlatására és a hőmérséklet szabályozására. Egy adott prekurzor vegyi anyag hatására az oxidációs idő eltérő, de Littler becslése szerint a 24K-os kóc körülbelül 43 láb/13 méter/perc sebességgel változik egy több oxidáló kemencével rendelkező nagyméretű gyártósoron. Végül az módosított (stabilizált) PAN szálak körülbelül 500-65 szénmolekulát tartalmaznak, a fennmaradó rész pedig gáz, a 7-es és az O rendszámú atomok keveréke.
Karbonizáció
A karbonizáció inert (oxigénmentes) atmoszférában, speciálisan tervezett kemencék sorozatában történik, lépésről lépésre növelve a folyamat hőmérsékletét. Az egyes kamrák víztesténél és kimeneténél a javítókamra megakadályozza az O2 behatolását, mivel minden egyes, a konyhai készüléken áthaladó O2-molekula eltávolít egy kis részt a szálakból. Ez megakadályozhatja az ilyen hőmérsékleten keletkező szénveszteséget. O2 hiányában csak a nem szén molekulákat, valamint az összetett és egyéb illékony szerves vegyületeket (40-80 ppm szinten stabilizálva) és a részecskéket (például részben lerakódott rosttöredékeket) távolítják el, és ürítik ki a konyhai készülékből utókezelésre egy környezetbarát kemencében. A karbonizáció egy hőmérséklet-kamrában kezdődik, a szálakat 1292 °F (kb. 700 °C) és 1472 °F (kb. 700 °C) között melegíti, és egy hőkamrában 2192 °F (kb. 1200 °C) és 2732 °F (kb. 1500 °C) között ér véget. 1500 °C). A kamrák számát a szénszálban szükséges modulus határozza meg; a nagy és a túlzottan nagy modulusú szénszálak viszonylag magas ára részben a hőkemencében elérendő folytonosságnak és hőmérsékletnek köszönhető. Bár a folytonosság szabadalmaztatott, és minden szénszál minősége eltérő, az oxidációs folytonosságot órákban számolják, de a karbonizációs sebesség nagyságrenddel, percekben csökken. Miután a szál megváltozik, csökkenti a súlyát és a térfogatát, 5-100%-kal lerövidül a hossza, és csökken az átmérője. Valójában a PAN prekurzor és a PAN szénszál konverziós mennyiségi aránya körülbelül 2:1, és a kiszorítási képesség kisebb, mint egy pár esetében – azaz sokkal kevesebb anyag kerül be az eljárásba. Ez a módszer a levegőből származó O2-molekulákat egyesíti a láncfonal PAN szálaival, és megindítja az összetett láncok térhálósodását. Ez a szál sűrűségét ~1,18 g/cm3-ről 1,38 g/cm3-re növeli.
szénszálas karbonizáció

Felületkezelés és méretezés

Felületkezelés és méretezés
A következő lépés elengedhetetlen a szálak teljesítményéhez, és a prekurzorok mellett ez különbözteti meg leginkább egy beszállító termékét a versenytársak termékeitől. A mátrix szerves vegyület és így a szénszálak közötti tapadás elengedhetetlen a kompozit megerősítéséhez; a szénszál előállítási folyamata során felületkezelést végeznek a tapadás fokozása érdekében.

A gyártók teljesen eltérő kezelési módszereket alkalmaznak, de a standard technika az, hogy a szálakat társkémiai anyagon vagy a megoldást tartalmazó sejten, például fertőtlenítőszeren vagy savan keresztül húzzák. Ezek az anyagok nyomtatják vagy megváltoztatják az egyes szálak felületét, ami növeli a felületi szál/mátrix kötés számára rendelkezésre álló területet, és reaktív kémiai csoportokat, például karboxilsavakat ad hozzá. Ezután egy rendkívül szabadalmaztatott bevonatot, az úgynevezett ragasztót alkalmaznak. A szénszál tömegének 0,5-5%-ában az ragasztó a szénszálakat társított köztes formává, például száraz kendővé és prepreggé alakítja a folyamat és a folyamat (pl. szövés) során. Az ragasztó a monofilamentumokat is összetartja, hogy csökkentse a szöszöket, javítsa a feldolgozási szilárdságot és növelje a szálak és így a mátrix vegyület közötti felületi nyírószilárdságot.

Közzététel ideje: 2018. november 1.
Online csevegés WhatsApp-on!