Hvernig á að búa til kolefnisþráð?

Koltrefjar, sem eru samsettar úr blöndum ólíkra efna (trefjar og plastefni), fjölbreytileiki þeirra og þar með sérsniðinleiki, eru lykilatriði í sjarma þeirra. Sem málmskiptir eru koltrefjasamsetningar tífalt sterkari en stál. Framleiðendur koltrefja framleiða vörur sem eru svipaðar en ekki eins. Koltrefjar eru mismunandi í togstuðli (eða stífleika sem mælt er sem aflögun undir álagi) og tog-, þjöppunar- og þreytustyrk.

Kolefnisþráður byggður á PAN er fáanlegur nú til dags í lágum stuðli (minna en 32 milljónir lbf/in² eða Msi), venjulegum stuðli (33 til 36 Msi), meðalstuðli (40 til 50 Msi), háum stuðli (50 til 70 Msi) og ultraháum stuðli (70 til 140 Msi).
Einfaldast sagt er kolefnisþráður búinn til með því að færa lífræna forveraþráða í óvirkt andrúmsloft við hitastig hærra en 1800°F (982,22°C). Framleiðsla á kolefnisþráðum getur hins vegar verið flókið fyrirtæki.

kolefnisþráður

Fjölliðun og snúningur

Fjölliðun

Ferlið hefst með efnablöndu sem kallast forveri og hefur sameindabakgrunn trefjarinnar. Í dag eru um 100 prósent af kolefnisþráðunum sem framleiddar eru úr efnis- eða bikforverum, en megnið af þeim kemur úr pólýakrýlnítríli (PAN), sem er framleitt úr nítríti, og nítrít kemur úr iðnaðarefnunum própani og ammóníaki.

Venjulega hefst forveraformúlan með nítrít efnasambandi af sama stigi sem er blandað saman í hvarfefni með mýktum akrýl sameinliða og hvata eins og sýru, díoxíði, olíu, vitríóli eða sýru. Stöðug samruni gerir innihaldsefnunum kleift að sameinast, sem tryggir áreiðanlega samkvæmni og hreinleika og hefst myndun sindurefna í sameindabyggingu nítríts. Þessi breyting leiðir til efnaferlis sem framleiðir langkeðjufjölliður sem mynda akrýltrefjar. Upplýsingar um efnaferlið, eins og hitastig, andrúmsloft, tilteknar sameinliður og hvatar, eru einkaleyfisverndaðar. Eftir þvott og þurrkun er nítrítið í duftformi leyst upp í lífrænum leysi af sama stigi eins og dímetýlsúlfíði (DMSO), dímetýlasetamíði (DMAC) eða dímetýlformamíði (DMF), eða fljótandi leysi af sama stigi, eins og klóríði með sætisnúmer 30 og ródamínsöltum. Lífræn leysiefni hjálpa til við að forðast mengun af snefilefnum málmagna, sem gæti skaðað hitauppstreymisstöðugleika ferlisins og seinkað hitaeiginleikum fullunninna trefja. Á þessu stigi er duft- og leysiefnislausnin eða forvera „húðunin“ sú áferð sem sírópið. Val á leysiefni og þar með stjórn á skemmdum húðunarinnar (með ítarlegri síun) er lykilatriði fyrir árangur næstu stiga trefjamyndunar.
Snúningur
PAN-þræðir eru búnir til með aðferð sem kallast blautspunnun. Húðunin er sökkt í fljótandi náttúrulegt vinnslubaðkar og þrýst út í gegnum gat í spunnetu úr verðmætum. Göngin eru stillt á þann fjölda þráða sem þarf í PAN-þræðinum (t.d. 12.000 göt af 12K kolefnisþráðum). Þessi tiltölulega þykka og brothætta blautspunna trefja er dregin í gegnum vals til að fjarlægja umfram efni, síðan þurrkuð og teygð til að halda PAN-efnasambandinu í skefjum. Hér er lögun og innra þversnið þráðanna ákvarðað af því hversu mikið leysiefnið og efnið komast í gegnum forveraþræðina, magni spennu sem beitt er og stærðarlengingu þráðanna. Hið síðarnefnda er einkaleyfi hvers framleiðanda. Annar valkostur við blautspunnun gæti verið blandað ferli sem kallast þurrblástur/blautspunnun, sem notar lóðrétt loftbil milli trefjanna og náttúrulega vinnslubaðkarsins. Þetta leiðir til sléttrar, kúlulaga PAN-trefja sem eykur viðmót trefja/matrix-rósíns innan samsetta efnisins. Síðasta skrefið í myndun PAN-forveratrefja er notkun á frágangsolíum til að koma í veg fyrir að seigfljótandi þræðir safnist saman. Hvítu PAN-trefjarnir eru síðan þurrkaðir aftur og vafðir á spólu.
oxunarofn fyrir kolefnisþráða

Oxun og kolefnismyndun

Oxun

Þessar spólur eru settar í körfuna og á lengsta framleiðslustigi, oxunarstigi, eru PAN-trefjarnar leiddar í gegnum röð sérstakra ofna. Áður en þær fara inn í aðal eldhústækið mýkjast PAN-trefjarnar í tau eða blað sem kallast uppistöðuefni. Hitastig hólfsins er á bilinu 392°F (um 200°C) til 572°F (300°C).

Til að koma í veg fyrir óstöðuga hitaleiðni (áætluð entalpíuleiðni við oxun, reiknanleg sem 2.000 kJ/kílógramm, færsla raunverulegrar eldvarnarhættu), nota framleiðendur eldhústækja mismunandi loftflæðisform til að hjálpa til við að dreifa hita og stjórna hitastigi. Knúið áfram af tilteknu forveraefni er oxunartíminn allt annar, en Littler áætlar að 24K-taugin breytist á hraða um 43 fet á 13 metra á mínútu í ofstórri línu með mörgum oxunarofnum. Að lokum innihalda breyttu (stöðugu) PAN-trefjarnar frá um 500 til um 65 kolefnissameindir og afgangurinn er gas, blanda af atómnúmeri 7 og O.
Kolefnismyndun
Kolefnismyndun á sér stað í óvirku (súrefnislausu) andrúmslofti í röð sérhönnuðra ofna, þar sem hitastig ferlisins hækkar smám saman. Við vatnsbrunninn og úttak hvers hólfs kemur endurbótahólfið í veg fyrir að O2 komist inn þar sem hver O2 sameind sem fer í gegnum eldhústækið fjarlægir hluta af trefjunum. Þetta getur komið í veg fyrir kolefnistap sem myndast við slíkan hita. Í fjarveru O2 eru eingöngu kolefnislausar sameindir, þar á meðal efnasambönd og önnur rokgjörn lífræn efnasambönd (stöðguð við magn 40 til 80 ppm) og agnir (eins og að hluta til útfelldar trefjabrot) fjarlægðar og losaðar úr eldhústækinu til eftirvinnslu í umhverfisstýrðum ofni. Kolefnismyndun hefst í hitahólfi, trefjarnar eru fluttar í 1292°F (u.þ.b. 700°C) í 1472°F (700°C til 800°C) og lýkur í hitahólfi við 2192°F (u.þ.b. 1.200°C) í 2732°F (u.þ.b. 1.500°C). 1500°C). Fjöldi hólfa er ákvarðaður af þeim stuðli sem þarf í kolefnisþræðinum; tiltölulega hátt verð á kolefnisþráðum með háum og óhóflegum háum stuðli er að hluta til vegna endingu og hitastigs sem hitaofninn þarf að ná. Þó að endingartími sé einkaleyfisvarinn og hver tegund kolefnisþráða sé gjörólík, er oxunarendinn reiknuð út í klukkustundum, en kolefnismyndunarhraðinn minnkar um nokkrar mínútur. Þegar trefjarnar breyta um ástand minnkar þyngd og rúmmál, styttir lengdina um 5 til 100% og minnkar þvermálið. Reyndar er magnbundið umbreytingarhlutfall PAN forverans við PAN kolefnisþræðina um það bil 2:1 og flutningsgetan er minni en hjá tveimur - það er að segja, mun minna efni fer inn í ferlið. Þessi aðferð sameinar O2 sameindir úr loftinu við PAN trefjar í uppistöðunni og hefst þvertenging efnasambandakeðjanna. Þetta eykur þéttleika trefjanna úr ~1,18 g/cc upp í 1,38 g/cc.
Kolefnisþráður Kolefnismyndun

Yfirborðsmeðferð og stærðarval

Yfirborðsmeðferð og stærðarval
Næsta skref er nauðsynlegt fyrir afköst trefjanna, og auk forveranna greinir það best vöru eins birgja frá vörum samkeppnisaðila. Viðloðun milli lífræna efnasambandsins í grunnefninu og þar með koltrefjanna er nauðsynleg til að styrkja samsetta efnið; í framleiðsluferli koltrefjanna er yfirborðsmeðhöndlun framkvæmd til að auka þessa viðloðun.

Framleiðendur nota gjörólíkar meðhöndlunaraðferðir, en staðlaða aðferðin er að draga trefjarnar í gegnum efnasambönd eða frumur sem innihalda lausnina, eins og sótthreinsiefni eða sýru. Þessi efni prenta eða breyta yfirborði hvers þráðar, sem eykur plássið sem er aðgengilegt fyrir yfirborðstrefjar/grunnefnistengingu og bætir við hvarfgjörnum efnasamböndum eins og karboxýlsýrum. Næst er mjög sérhönnuð húðun sem kallast lím notað. Við 0,5% til 5% af þyngd kolefnisþráðanna verndar límið kolefnisþræðina í efnasambönd, eins og þurran klút og forpreg, meðan á ferlinu stendur (t.d. vefnaði). Límið heldur einnig einþráðunum saman til að draga úr ló, bæta vinnslugetu og auka yfirborðsklippstyrk milli trefjanna og grunnefnisins.

Birtingartími: 1. nóvember 2018
WhatsApp spjall á netinu!