איך לייצר סיבי פחמן?

סיבי פחמן, המורכבים משילובים של חומרים שונים (סיבים ושרף), השונות שלהם, ולכן, ההתאמה האישית שלהם, הם מרכזיים לקסם שלהם. כתחליף מתכת, חומרים מרוכבים מסיבי פחמן מספקים חוזק פי עשרה מפלדה. יצרני סיבי פחמן מייצרים מוצרים דומים אך לא זהים. סיבי פחמן משתנים במודול מתיחה (או קשיחות הנמדדת כדפורמציה תחת עומס) ובחוזק מתיחה, דחיסה ועייפות.

סיבי פחמן מבוססי PAN זמינים כיום במודול נמוך (פחות משלושים ושניים מיליון ליברות רבועות או Msi), מודול סטנדרטי (33 עד 36 Msi), מודול בינוני (40 עד 50 Msi), מודול גבוה (50 עד 70 Msi) ומודול גבוה במיוחד (70 עד 140 Msi).
במילים פשוטות, סיבי פחמן נוצרים על ידי הזזה של סיב אורגני ממקור ברמת Associated באווירה אינרטית בטמפרטורה גבוהה מ-982.22 מעלות צלזיוס (1800°F). ייצור סיבי פחמן, לעומת זאת, הוא מיזם מתקדם.

סיבי פחמן

פולימריזציה וספינינג

פולימריזציה

התהליך מתחיל בחומר גלם כימי המכונה "קודמן" בעל עמוד השדרה המולקולרי של הסיב. כיום, כ-100 אחוז מסיבי הפחמן המיוצרים עשויים מקודמנים מבוססי בד או זפת, אך רובם מגיעים מפוליאקרילוניטריל (PAN), המיוצר מניטריט, וניטריט מגיע מהכימיקלים התעשייתיים פרופאן ואמוניה.

בדרך כלל, ניסוח הקודמן מתחיל בתרכובת ניטריט בדרגה שותפה, המשולבת בכור עם קו-מונומר אקרילי פלסטי וזרז כמו חומצה, דו-חמצנית, שמן של ויטריול או חומצה. שילוב מתמשך מאפשר למרכיבים להתמזג, תוך יצירת עקביות וטוהר, ומתחיל את היווצרותם של רדיקלים חופשיים במבנה המולקולרי של ניטריט. שינוי זה מביא לתהליך כימי, המייצר פולימרים בעלי שרשרת ארוכה היוצרים סיבים אקריליים. פרטים על התהליך הכימי, כמו טמפרטורה, אווירה, קו-מונומרים ספציפיים וזרזים, הם קנייניים. לאחר כביסה וייבוש, הניטריט בצורת אבקה מומס בממס אורגני בדרגה שותפה כמו דימתיל סולפיד (DMSO), דימתילאצטמיד (DMAC) או דימתילפורממיד (DMF), או בממס נוזלי בדרגה שותפה, כמו כלוריד מספר אטומי 30 ומלחי רודאמין. ממסים אורגניים מסייעים במניעת זיהום חלקיקי מתכת עקביים, אשר עלול לפגוע ביציבות האווירפילית התרמית של התהליך ולעכב את ביצועי החום של הסיב המוגמר. בשלב זה, תרחיף האבקה והממס או "ציפוי" הקודמן הוא בעל עקביות הסירופ. בחירת הממס ולכן מידת השליטה בעוצמת הציפוי (באמצעות סינון מעמיק) חיונית להצלחת השלבים הבאים של יצירת הסיבים.
ספינינג
סיבי PAN מיוצרים בשיטה הנקראת ספינינג רטוב. הציפוי טובל באמבטיה נוזלית של תהליך טבעי ונשלט דרך חור בספין העשוי מחומר יקר. המעבר מותאם למספר הנדרש של סיבים בסיב ה-PAN (למשל, 12,000 חורים של סיבי פחמן 12K). סיב רטוב זה, עבה יחסית ושביר יחסית, נמשך דרך גלגלת כדי להסיר עודפי חומר, לאחר מכן מיובש ונמתח כדי לשמור על כיוון תרכובת ה-PAN. כאן, הצורה והחתך הפנימי של הסיבים נקבעים על ידי המידה שבה הממס והחומר שנבחרו חודרים לסיבים המקדימים, כמות המתח המופעל, והארכת ה-PC של הסיבים. האחרון הוא קנייני לכל יצרן. אלטרנטיבה לספינינג רטוב יכולה להיות שיטת שילוב הנקראת התזה יבשה/ספינינג רטוב, המשתמשת בפער אוויר אנכי בין הסיבים לאמבטיה הטבעית. זה מוביל לסיב PAN כדורי וחלק המשפר את ממשק הסיבים/רוזין במטריצה ​​בתוך החומר המרוכב. השלב האחרון ביצירת סיבי PAN הוא השימוש בשמני גימור כדי למנוע הצטברות של סיבים צמיגים. סיבי ה-PAN הלבנים מתייבשים שוב ונלפפים על סליל.
תנור חמצון סיבי פחמן

חמצון וקרבוניזציה

חִמצוּן

סלילים אלה נטענים לתוך הסל, ובמהלך שלב החמצון, הייצור הארוך ביותר, סיבי PAN מוזנים דרך סדרה של תנורים ייעודיים. לפני שהם נכנסים למכשיר המטבח הראשי, סיבי ה-PAN מתרככים לרשת או יריעה המכונה עיוות. טמפרטורת החדר נעה בין 392 מעלות פרנהייט (כ-200 מעלות צלזיוס) ל-572 מעלות פרנהייט (300 מעלות צלזיוס).

כדי למנוע פריקת חום בורחת (פריקת אנתלפיה משוערת במהלך חמצון, הניתנת לחישוב של 2,000 קילו-ג'אול לקילוגרם, מה שמוביל לסיכון האח האמיתי), יצרני מכשירי מטבח משתמשים בחלוקת זרימת אוויר כדי לסייע בפיזור חום ולשלוט בטמפרטורה. בהתבסס על חומר כימי ספציפי, זמן החמצון שונה לחלוטין, אך ליטלר מעריך כי ה-24K משתנה בקצב של כ-43 רגל לכל 13 מטר לדקה בקו גדול במיוחד עם מספר תנורי חמצון. לבסוף, סיבי PAN המשתנים (המוצבים) מכילים בין כ-500 ל-65 מולקולות פחמן, כאשר היתרה היא גז, תערובת של מספר אטומי 7 ו-O.
פִּחוּם
קרבוניזציה מתרחשת במהלך אווירה אינרטית (נטולת חמצן) בסדרה של תנורים שתוכננו במיוחד, תוך העלאת טמפרטורת התהליך בהדרגה. בגוף המים וביציאה של כל תא, תא השיפור מונע חדירת O2 מכיוון שכל מולקולת O2 שעוברת דרך מכשיר המטבח מסירה חלק מהסיבים. זה יכול למנוע את אובדן הפחמן שנוצר בחום כזה. בהיעדר O2, רק מולקולות שאינן פחמן, כולל תרכובות ותרכובות אורגניות נדיפות אחרות (המיוצבות ברמה של 40 עד 80 ppm) וחלקיקים (כגון שברי סיבים שהופקדו חלקית) מוסרים ומופרשים ממכשיר המטבח לטיפול לאחר מכן בכבשן מבוקר סביבה. הקרבוניזציה מתחילה בתא טמפרטורה, מעבירים את הסיבים לטמפרטורה של 700 מעלות צלזיוס עד 800 מעלות צלזיוס ומסתיימת בתא חימום בטמפרטורה של 1,200 מעלות צלזיוס עד 1,500 מעלות צלזיוס. 1500 מעלות צלזיוס). מספר התאים נקבע על ידי המודולוס הנדרש בתוך סיבי הפחמן; המחיר הגבוה יחסית של סיבי פחמן בעלי מודולוס גבוה ולא מתון נובע בחלקו מהעמידות והטמפרטורה שיש להשיג על ידי תנור החימום. למרות שהעמידות היא קניינית וכל דרגת סיבי פחמן שונה לחלוטין, עמידות החמצון מחושבת בשעות, אך קצב הפחמן מצטמצם בסדר גודל של דקות. לאחר שהסיב משנה מצב, הוא מפחית משקל ונפח, מקצר את האורך בחמישה עד מאה אחוזים ומקטין את הקוטר. למעשה, יחס ההמרה הכמותי של קודמן PAN לסיב הפחמן PAN הוא כ-2:1 ויכולת התזוזה קטנה יותר מזוג - כלומר, הרבה פחות חומר נכנס לתהליך. מתודולוגיה זו משלבת מולקולות O מהאוויר עם סיבי PAN בתוך השתי ויוזמת קישור צולב של שרשראות התרכובת. זה יגדיל את צפיפות הסיבים מ-1.18 גרם/סמ"ק ל-1.38 גרם/סמ"ק.
קרבוניזציה של סיבי פחמן

טיפול פני השטח וגודל

טיפול פני השטח וגודל
השלב הבא חיוני לביצועי הסיבים, ובנוסף לחומרים המקדימים, הוא זה שמבדיל בצורה הטובה ביותר את מוצר הספק ממוצר המתחרים. ההידבקות בין התרכובת האורגנית במטריצה ​​ולכן סיבי הפחמן חיונית לחיזוק החומר המרוכב; לאורך תהליך ייצור סיבי הפחמן, מתבצע טיפול פני השטח כדי לשפר את ההידבקות הזו.

יצרנים משתמשים בשיטות טיפול שונות לחלוטין, אולם הטכניקה הסטנדרטית היא למשוך את הסיבים דרך חומר כימי או תאים המכילים את התמיסה, כמו חומר חיטוי או חומצה. חומרים אלה מדפיסים או משנים את פני השטח של כל סיב, מה שמגדיל את המרחב הזמין לקשר בין סיבים למטריצה ​​ומוסיף קבוצות כימיות ריאקטיביות כמו חומצות קרבוקסיליות. לאחר מכן, מורחים ציפוי קנייני מאוד הנקרא ציפויים. בריכוז של 0.5% עד 5% ממשקל סיבי הפחמן, הציפוי שומר על סיבי הפחמן בצורה ביניים קשורה, כמו מטלית יבשה וציפוי פרפרג, לאורך כל התהליך (למשל, אריגה). הציפוי גם מחזיק את הסיבים המונו-חוטיים לאורך כדי להפחית מוך, לשפר את עמידות התהליך ולהגביר את חוזק הגזירה פני השטח בין הסיבים לבין החומר האורגני של המטריצה.

זמן פרסום: 1 בנובמבר 2018
צ'אט אונליין בוואטסאפ!