Bagaimana cara membuat serat karbon?

Serat karbon, yang terdiri dari kombinasi bahan yang tidak sama (serat dan resin), variabilitasnya, dan juga, kemampuan penyesuaiannya, merupakan inti dari daya tariknya. Sebagai pengganti logam, komposit serat karbon memberikan kekuatan sepuluh kali lipat dari baja. Produsen serat karbon menciptakan produk yang serupa tetapi tidak identik. Serat karbon bervariasi dalam modulus tarik (atau kekakuan yang ditentukan sebagai deformasi di bawah regangan) dan kekuatan tarik, kompresi, dan kelelahan.

Serat karbon berbasis PAN dapat diperoleh saat ini dalam modulus rendah (kurang dari tiga puluh dua juta lbf/in² atau Msi), modulus biasa (33 hingga tiga puluh enam Msi), modulus menengah (40 hingga lima puluh Msi), modulus tinggi (50 hingga tujuh puluh Msi) dan modulus sangat tinggi (70 hingga seratus empat puluh Msi).
Secara sederhana, serat karbon dibuat dengan menggeser serat prekursor organik dalam atmosfer inert pada suhu lebih tinggi dari 1800°F (982,22 °C). Namun, pembuatan serat karbon mungkin merupakan usaha yang maju.

serat karbon

Polimerisasi dan Pemintalan

Polimerisasi

Proses ini dimulai dengan bahan baku senyawa kimia yang disebut prekursor yang memiliki tulang punggung molekul serat. Saat ini, sekitar 100 persen serat karbon yang dibuat terbuat dari prekursor berbasis kain atau ter, namun sebagian besar berasal dari poliakrilonitril (PAN), yang dibuat dari nitrit, dan nitrit berasal dari bahan kimia industri propana dan amonia.

Biasanya, formulasi prekursor dimulai dengan senyawa nitrit yang digabungkan dalam reaktor dengan ko-monomer akrilik yang diplastiskan dan katalis seperti asam, dioksida, minyak vitriol atau asam. Penggabungan berkelanjutan memungkinkan bahan-bahan tersebut untuk bergabung, memastikan konsistensi dan kemurnian, dan memulai pembentukan radikal bebas dalam struktur molekul nitrit. Modifikasi ini menghasilkan proses kimia, yang menghasilkan polimer rantai panjang yang membentuk serat akrilik. Rincian proses kimia, seperti suhu, atmosfer, ko-monomer dan katalis tertentu, adalah hak milik. Setelah pencucian dan pengeringan, nitrit dalam bentuk bubuk dilarutkan dalam pelarut organik seperti dimetil sulfida (DMSO), dimetil asetamida (DMAC) atau dimetilformamida (DMF), atau pelarut cair, seperti klorida nomor atom 30 dan garam rhodamin. Pelarut organik membantu menghindari kontaminasi partikel logam jejak, yang dapat merusak stabilitas aerofilik termal dari metode dan menunda kinerja panas dari serat yang sudah jadi. Pada tahap ini, bubuk dan suspensi pelarut atau "pelapis" prekursor adalah konsistensi sirup. Pemilihan pelarut dan tingkat pengelolaan kekerasan pelapis (melalui penyaringan mendalam) sangat penting untuk keberhasilan tahap pembentukan serat berikutnya.
Pemintalan
Serat PAN dibentuk dengan metode yang disebut pemintalan basah. Lapisan tersebut direndam dalam bak proses alami cair dan diekstrusi melalui lubang di pemintal yang terbuat dari bahan berharga. Lintasan tersebut disesuaikan dengan jumlah filamen serat PAN yang dibutuhkan (misalnya, 12.000 lubang serat karbon 12K). Serat yang dipintal basah yang relatif tebal dan rapuh ini ditarik melalui rol untuk membuang kelebihan zat, kemudian dikeringkan dan diregangkan untuk melanjutkan orientasi senyawa PAN. Di sini, bentuk dan penampang internal filamen ditentukan oleh sejauh mana pelarut dan zat yang dipilih menembus serat prekursor, jumlah tegangan yang diberikan, dan juga perpanjangan pc filamen. Yang terakhir ini merupakan hak milik setiap produsen. Alternatif untuk pemintalan basah dapat berupa metode campuran yang disebut dry blasting/wet spinning, yang menggunakan celah udara vertikal antara serat dan bak proses alami. Hal ini menghasilkan serat PAN bulat ramping yang meningkatkan antarmuka serat/matriks rosin dalam komposit. Langkah terakhir dalam pembentukan serat prekursor PAN adalah penggunaan minyak akhir untuk menghentikan filamen kental dari penggumpalan. Serat PAN putih kemudian dikeringkan sekali lagi dan dililitkan pada gulungan.
oven oksidasi serat karbon

Oksidasi dan Karbonisasi

Oksidasi

Kumparan ini dimasukkan ke dalam keranjang, dan dalam tahap produksi dan oksidasi terpanjang, serat PAN dimasukkan ke dalam serangkaian tungku khusus. Sebelum memasuki peralatan dapur utama, serat PAN dipilin menjadi gulungan atau lembaran yang disebut lungsin. Suhu ruang berkisar antara 392 °F (sekitar 200 °C) hingga 572 °F (300 derajat Celsius).

Untuk menghindari pelepasan panas yang tak terkendali (perkiraan pelepasan entalpi selama oksidasi, dapat dihitung pada 2.000 kJ/kilogram, bandingkan bahaya kebakaran sebenarnya), pembuat peralatan dapur menggunakan berbagai aliran udara untuk membantu menghilangkan panas dan mengendalikan suhu. Didorong oleh bahan kimia prekursor tertentu, waktu oksidasinya sangat berbeda, tetapi Littler memperkirakan bahwa tarikan 24K akan diubah pada kecepatan sekitar empat puluh tiga kaki per tiga belas meter per menit pada jalur besar dengan beberapa tungku oksidasi. Terakhir, serat PAN yang diubah (distabilkan) mengandung sekitar lima ratus hingga sekitar enam puluh lima molekul karbon dengan keseimbangan berupa gas, campuran nomor atom 7 dan O.
Karbonisasi
Karbonisasi terjadi selama atmosfer inert (bebas oksigen) dalam serangkaian tungku yang dirancang khusus, langkah demi langkah meningkatkan suhu proses. Di badan air dan outlet setiap ruang, ruang perbaikan mencegah intrusi O karena setiap molekul O yang melewati peralatan dapur menghilangkan sedikit serat. Ini dapat mencegah hilangnya karbon yang dihasilkan pada panas tersebut. Dalam ketiadaan O, hanya molekul non-karbon, bersama dengan senyawa dan senyawa organik volatil lainnya (distabilkan pada tingkat derajat empat puluh hingga delapan puluh ppm) dan partikulat (seperti fragmen serat yang diendapkan sebagian) yang dihilangkan dan dibuang dari peralatan dapur untuk pasca-perawatan dalam tungku yang dikontrol lingkungan. Karbonisasi dimulai selama ruang suhu, memindahkan serat ke 1292 °F (sekitar 700 °C) hingga 1472 °F (700 °C hingga 800 °C) dan berakhir selama ruang panas pada 2192 °F (sekitar 1.200 °C) hingga 2732 °F (sekitar 1.500 °C). 1500 °C). Jumlah ruang diputuskan oleh modulus yang dibutuhkan dalam serat karbon; harga yang relatif tinggi dari serat karbon modulus tinggi dan sangat tinggi sebagian disebabkan oleh kontinuitas dan suhu yang harus dicapai oleh tungku panas. Meskipun kontinuitas adalah hak milik dan setiap tingkat serat karbon benar-benar berbeda, kontinuitas oksidasi dihitung dalam hitungan jam, namun laju karbonisasi dikurangi dengan urutan besaran dalam hitungan menit. Setelah serat berubah bentuk, berat dan volumenya berkurang, panjangnya berkurang lima hingga 100%, dan diameternya berkurang. Faktanya, rasio kuantitatif konversi prekursor PAN terhadap serat karbon PAN adalah sekitar 2:1 dan kemampuan perpindahannya juga lebih kecil daripada sepasang — artinya, lebih sedikit material yang masuk ke dalam metode ini. Metodologi ini menggabungkan molekul O dari udara dengan serat PAN di dalam lungsin dan memulai ikatan silang rantai senyawa. Ini akan meningkatkan kepadatan serat dari ~1,18 g/cc hingga 1,38 g/cc.
Karbonisasi serat karbon

Perawatan permukaan dan ukuran

Perawatan permukaan dan ukuran
Langkah berikutnya sangat penting untuk kinerja serat, dan selain prekursor, langkah ini paling baik membedakan produk satu pemasok dari produk pesaing. Adhesi antara senyawa organik matriks dan serat karbon sangat penting untuk memperkuat komposit; selama proses produksi serat karbon, perawatan permukaan dilakukan untuk meningkatkan adhesi ini.

Produsen menggunakan metode perawatan yang sangat berbeda, namun teknik standarnya adalah dengan menarik serat melalui kimia asosiasi atau sel yang mengandung solusi, seperti disinfektan atau asam. Bahan-bahan ini mencetak atau mengubah permukaan setiap filamen, yang akan meningkatkan ekspansi yang tersedia untuk ikatan serat/matriks permukaan dan menambahkan tim kimia reaktif seperti asam karboksil. Selanjutnya, terapkan lapisan yang sangat eksklusif yang dikenal sebagai ukuran. Pada 0,5% hingga lima berat serat karbon, ukuran melindungi serat karbon menjadi jenis perantara asosiasi, seperti kain kering dan prepreg, selama proses dan proses (misalnya, penenunan). Ukuran juga menahan filamen mono untuk mengurangi bulu halus, meningkatkan kemampuan proses dan meningkatkan kekuatan geser permukaan antara serat dan senyawa organik matriks.

Waktu posting: 01-Nov-2018
Obrolan Daring WhatsApp!