Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?

Koolstofvezel, samengesteld uit combinaties van verschillende materialen (vezel en hars), hun variabiliteit en dus hun aanpasbaarheid, zijn essentieel voor hun charme. Als metaalvervanger bieden koolstofvezelcomposieten tien keer de sterkte van staal. Koolstofvezelproducenten creëren producten die vergelijkbaar, maar toch niet identiek zijn. Koolstofvezels variëren in trekmodulus (of stijfheid, bepaald als vervorming onder spanning) en trek-, druk- en vermoeiingssterkte.

Tegenwoordig is koolstofvezel op basis van PAN verkrijgbaar met een lage modulus (minder dan 32 miljoen lbf/in² of Msi), een gebruikelijke modulus (33 tot 36 Msi), een gemiddelde modulus (40 tot 50 Msi), een hoge modulus (50 tot 70 Msi) en een ultrahoge modulus (70 tot 140 Msi).
Simpel gezegd wordt koolstofvezel geproduceerd door verplaatsing van organische vezelprecursoren naar een inerte atmosfeer bij temperaturen hoger dan 1800 °F (982,22 °C). De productie van koolstofvezels is echter een complexe aangelegenheid.

koolstofvezel

Polymerisatie en spinnen

Polymerisatie

Het proces begint met een chemische grondstof, een zogenaamde precursor, die de moleculaire ruggengraat van de vezel bevat. Tegenwoordig wordt ongeveer 100 procent van de geproduceerde koolstofvezels gemaakt van textiel- of pekgebaseerde precursors, maar het grootste deel is afkomstig van polyacrylonitril (PAN), geproduceerd uit nitriet, en nitriet is afkomstig van de industriële chemicaliën propaan en ammoniak.

De precursorformulering begint doorgaans met een nitrilverbinding die in een reactor wordt gecombineerd met een geplastificeerd acrylcomonomeer en een katalysator zoals zuur, dioxide, olie van vitriool of zuur. Continue menging zorgt ervoor dat de ingrediënten zich vermengen, wat consistentie en zuiverheid garandeert en de vorming van vrije radicalen in de moleculaire structuur van nitriet in gang zet. Deze modificatie resulteert in een chemisch proces dat polymeren met lange ketens produceert die acrylvezels vormen. Details van het chemische proces, zoals temperatuur, atmosfeer, specifieke comonomeren en katalysatoren, zijn eigendom van de fabrikant. Na het wassen en drogen wordt het nitriet in poedervorm opgelost in een organisch oplosmiddel zoals dimethylsulfide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC) of dimethylformamide (DMF), of in een vloeibaar oplosmiddel, zoals chloride en rhodaminezouten. Organische oplosmiddelen helpen verontreiniging met sporen van metaaldeeltjes te voorkomen, die de thermische aerofiele stabiliteit van het proces kunnen aantasten en de thermische prestaties van de voltooide vezel kunnen vertragen. In deze fase bepaalt de suspensie van poeder en oplosmiddel, oftewel de precursor, de consistentie van de siroop. De keuze van het oplosmiddel en de mate van beheersing van de vervuiling van de coating (door middel van dieptefiltratie) zijn cruciaal voor het succes van de volgende fase van vezelvorming.
Spinnen
PAN-vezels worden vervaardigd met behulp van een methode die natspinnen wordt genoemd. De coating wordt ondergedompeld in een vloeibaar-natuurlijk procesbad en geëxtrudeerd door een gat in een spindop, vervaardigd van waardevolle vezels. De doorgang is afgestemd op het vereiste aantal filamenten van de PAN-vezel (bijv. 12.000 gaten van 12K koolstofvezel). Deze relatief dikke en brosse natgesponnen vezel wordt door een rol getrokken om overtollig middel te verwijderen, vervolgens gedroogd en uitgerekt om de oriëntatie van de PAN-verbinding voort te zetten. Hierbij worden de vorm en interne doorsnede van de filamenten bepaald door de mate waarin het gekozen oplosmiddel en middel de precursorvezels binnendringen, de hoeveelheid toegepaste spanning en de rek van de filamenten. Deze laatste is eigendom van elke fabrikant. Een alternatief voor natspinnen is een mengmethode genaamd droogstralen/natspinnen, waarbij een verticale luchtspleet tussen de vezels en het natuurlijk procesbad wordt gebruikt. Dit resulteert in een slanke, bolvormige PAN-vezel die de vezel-matrix-rosin-interface in het composiet verbetert. De laatste stap in de vorming van PAN-precursorvezels is het gebruik van afwerkingsoliën om te voorkomen dat viskeuze filamenten samenklonteren. De witte PAN-vezels worden vervolgens opnieuw gedroogd en op een spoel gewikkeld.
koolstofvezel oxidatieoven

Oxidatie en carbonisatie

Oxidatie

Deze klossen worden in de mand geladen en tijdens de langste productiefase, de oxidatiefase, worden de PAN-vezels door een reeks speciale ovens geleid. Voordat ze het primaire keukenapparaat binnenkomen, worden de PAN-vezels samengeperst tot een rol of vel, ook wel een schering genoemd. De kamertemperatuur varieert van 392 °F (ongeveer 200 °C) tot 572 °F (300 °C).

Om warmteverlies te voorkomen (geschatte enthalpie-verlies tijdens oxidatie, berekend op 2000 kJ/kg, wat overeenkomt met het werkelijke brandgevaar), gebruiken fabrikanten van keukenapparatuur verschillende luchtstromen om warmte af te voeren en de temperatuur te regelen. Door een specifieke chemische precursor is de oxidatietijd echter anders, maar Littler schat dat de 24K-vezels met een snelheid van ongeveer 43 voet per 13 meter per minuut zullen worden omgezet in een grote lijn met meerdere oxidatieovens. Ten slotte bevatten de (gestabiliseerde) PAN-vezels ongeveer 500 tot 65 koolstofatomen, waarbij de rest bestaat uit gas, een mengsel van atoomnummer 7 en 0.
Carbonisatie
Carbonisatie vindt plaats in een inerte (zuurstofvrije) atmosfeer in een reeks speciaal ontworpen ovens, waarbij de procestemperatuur stapsgewijs wordt verhoogd. Bij de waterleiding en de uitlaat van elke kamer voorkomt de verdampingskamer zuurstofintrusie, doordat elk zuurstofmolecuul dat door het keukenapparaat stroomt een deel van de vezels verwijdert. Dit kan het verlies van koolstof dat bij deze temperatuur ontstaat, voorkomen. Bij afwezigheid van zuurstof worden alleen niet-koolstofmoleculen, waaronder verbindingen en andere vluchtige organische stoffen (gestabiliseerd op een niveau van 40 tot 80 ppm) en deeltjes (zoals gedeeltelijk afgezette vezelfragmenten), verwijderd en uit het keukenapparaat afgevoerd voor nabehandeling in een klimaatgestuurde oven. De carbonisatie begint in een temperatuurkamer, brengt de vezels over naar temperaturen van 1292 °F (ca. 700 °C) tot 1472 °F (700 °C tot 800 °C) en eindigt in een verwarmingskamer van 2192 °F (ca. 1.200 °C) tot 2732 °F (ca. 1.500 °C). Het aantal kamers wordt bepaald door de benodigde modulus in de koolstofvezel; de relatief hoge prijs van koolstofvezels met een hoge en buitensporige hoge modulus is deels te wijten aan de duurzaamheid en temperatuur die door de verwarmingsoven moeten worden bereikt. Hoewel de duurzaamheid eigendom is en elke koolstofvezelsoort anders is, wordt de oxidatieduur berekend in uren, maar de carbonisatiesnelheid wordt met een orde van grootte verlaagd in minuten. Zodra de vezel in een andere toestand is, vermindert deze het gewicht en volume, verkort de lengte met 5 tot 100% en verkleint de diameter. De kwantitatieve conversieverhouding van de PAN-precursor tot de PAN-koolstofvezel is in feite ongeveer 2:1 en het verplaatsingsvermogen is kleiner dan bij een paar – dat wil zeggen, er komt veel minder materiaal in het proces. Deze methode combineert O-moleculen uit de lucht met PAN-vezels in de schering en initieert crosslinking van de samengestelde ketens. Dit verhoogt de vezeldichtheid van ~1,18 g/cc tot 1,38 g/cc.
koolstofvezel Carbonisatie

Oppervlaktebehandeling en dimensionering

Oppervlaktebehandeling en dimensionering
De volgende stap is essentieel voor de prestaties van de vezel en, naast de voorlopers, voor het onderscheiden van het product van een leverancier van dat van de concurrentie. De hechting tussen de organische matrixverbinding en de koolstofvezels is essentieel voor de versterking van het composiet; gedurende het hele koolstofvezelproductieproces wordt een oppervlaktebehandeling uitgevoerd om deze hechting te verbeteren.

Producenten gebruiken compleet verschillende behandelingsmethoden, maar de standaardtechniek is om de vezels door een chemische verbinding of cel te leiden die de oplossing bevat, zoals een ontsmettingsmiddel of zuur. Deze materialen bedrukken of veranderen het oppervlak van elk filament, waardoor de beschikbare ruimte voor de binding van de oppervlaktevezels en de matrix toeneemt en reactieve chemische groepen zoals carboxylzuren worden toegevoegd. Vervolgens wordt een zeer gepatenteerde coating aangebracht, genaamd 'fixes'. Met 0,5% tot 5% van het gewicht van de koolstofvezel, beschermt de fixatie de koolstofvezels tot een tussenvorm, zoals een droge doek en een prepreg, gedurende het hele proces (bijvoorbeeld weven). Fixatie houdt de monofilamenten bovendien op hun plaats om pluis te verminderen, de verwerkbaarheid te verbeteren en de schuifsterkte tussen de vezels en de matrix te verhogen.

Plaatsingstijd: 1 november 2018
WhatsApp Online Chat!