Hvordan lage karbonfiber?

Karbonfiber, som er satt sammen av kombinasjoner av forskjellige materialer (fiber og harpiks), deres variabilitet og dermed tilpasningsevne, er sentralt for deres sjarm. Som en metallerstatning gir karbonfiberkompositter ti ganger styrken til stål. Karbonfiberprodusenter lager produkter som er like, men ikke identiske. Karbonfiber varierer i strekkmodul (eller stivhet målt som deformasjon under tøyning) og strekk-, trykk- og utmattingsstyrke.

PAN-basert karbonfiber er tilgjengelig i dag i lav modulus (mindre enn 32 millioner lbf/in² eller Msi), vanlig modulus (33 til 36 Msi), middels modulus (40 til 50 Msi), høy modulus (50 til 70 Msi) og ultrahøy modulus (70 til 140 Msi).
Enkelt sagt lages karbonfiber ved å forskyve organisk forløperfiber av assosiert grad i en inert atmosfære ved temperaturer høyere enn 982,22 °C. Produksjon av karbonfiber er imidlertid en avansert bedrift.

karbonfiber

Polymerisering og spinning

Polymerisering

Prosessen begynner med en kjemisk sammensatt råvare som kalles en forløper, og som har den molekylære ryggraden til fiberen. I dag er omtrent 100 prosent av karbonfiberen som produseres laget av stoff- eller bekbaserte forløpere, men det meste kommer fra polyakrylonitril (PAN), laget av nitritt, og nitritt kommer fra industrikjemikaliene propan og ammoniakk.

Vanligvis begynner forløperformuleringen med en nitrilforbindelse av assosiert grad som kombineres i en reaktor med en mykgjort akryl-ko-monomer og en katalysator som syre, dioksid, olje, vitriol eller syre. Kontinuerlig blanding lar ingrediensene kombineres, noe som sikrer konsistens og renhet, og starter dannelsen av frie radikaler i nitrittets molekylære struktur. Denne modifikasjonen resulterer i en kjemisk prosess som produserer langkjedede polymerer som danner akrylfibre. Detaljer om den kjemiske prosessen, som temperatur, atmosfære, spesifikke ko-monomerer og katalysatorer, er proprietære. Etter vasking og tørking løses nitritten i pulverform opp i et organisk løsningsmiddel av assosiert grad som dimetylsulfid (DMSO), dimetylacetamid (DMAC) eller dimetylformamid (DMF), eller et flytende løsningsmiddel av assosiert grad, som atomnummer 30 klorid og rhodaminsalter. Organiske løsningsmidler bidrar til å unngå spor av metallpartikler, noe som kan skade prosessens termiske aerofile stabilitet og forsinke varmeytelsen til den ferdige fiberen. På dette stadiet har pulver- og løsningsmiddelsuspensjonen eller forløper-"belegget" konsistensen av sirupen. Valget av løsemiddel og dermed graden av kontroll av beleggets hardhet (gjennom grundig filtrering) er avgjørende for suksessen til det neste stadiet av fiberdannelsen.
Spinning
PAN-fibre formes ved en metode som kalles våtspinning. Belegget senkes ned i et flytende naturprosessbadekar og ekstruderes gjennom et hull i en spinndyse laget av verdifullt materiale. Passasjen tilpasses det nødvendige antallet filamenter i PAN-fiberen (f.eks. 12 000 hull med 12K karbonfiber). Denne relativt tykke og sprø våtspunnede fiberen trekkes gjennom en vals for å fjerne overflødig middel, deretter tørkes og strekkes for å opprettholde orienteringen av PAN-forbindelsen. Her bestemmes formen og det indre tverrsnittet til filamentene av i hvilken grad det valgte løsningsmidlet og middelet trenger inn i forløperfibrene, mengden spenning som påføres, og filamentenes PC-forlengelse. Sistnevnte er proprietært for hver produsent. Et alternativ til våtspinning kan være en blandet metode kalt tørrblåsing/våtspinning, som bruker et vertikalt luftgap mellom fibrene og naturprosessbadet. Dette fører til en slank, sfærisk PAN-fiber som forbedrer fiber/matrise-harpiksgrensesnittet i kompositten. Det siste trinnet i dannelsen av PAN-forløperfibre er bruken av etterbehandlingsoljer for å hindre at viskøse filamenter agglomererer. De hvite PAN-fibrene tørkes deretter igjen og vikles på en spole.
karbonfiberoksidasjonsovn

Oksidasjon og karbonisering

Oksidasjon

Disse spolene lastes inn i kurven, og i løpet av den lengste produksjonsfasen, oksidasjonsfasen, føres PAN-fibrene gjennom en rekke dedikerte ovner. Før de går inn i det primære kjøkkenapparatet, blir PAN-fibrene mildnet til en tau eller et ark som kalles en varp. Kammertemperaturen varierer fra ca. 200 °C til 300 °C.

For å unngå løpsk varmeutladning (estimert entalpiutladning under oksidasjon, beregnet til 2000 kJ/kilo, beveger den faktiske ildrisikoen), bruker kjøkkenapparatprodusenter en spredning av luftstrømmer for å bidra til å spre varme og kontrollere temperaturen. Drevet av et bestemt forløperkjemikalie er oksidasjonstiden forskjellig, men Littler anslår at 24K-tauet vil endres med en hastighet på omtrent 43 fot per 13 meter per minutt på en overdimensjonert linje med flere oksidasjonsovner. Til slutt inneholder de alternative (stabiliserte) PAN-fibrene fra omtrent 500 til omtrent 65 karbonmolekyler, hvor resten er gass, en blanding av atomnummer 7 og O.
Karbonisering
Karbonisering skjer i en inert (oksygenfri) atmosfære i en serie spesialdesignede ovner, som gradvis øker prosesstemperaturen. Ved vannmassen og utløpet til hvert kammer forhindrer forbedringskammeret O2-inntrenging, ettersom hvert O2-molekyl som passerer gjennom kjøkkenapparatet fjerner noe av fibrene. Dette kan forhindre tapet av karbon som genereres ved en slik varme. I fravær av O2 fjernes kun ikke-karbonmolekyler, inkludert forbindelser og andre flyktige organiske forbindelser (stabilisert ved et nivå på 40 til 80 ppm) og partikler (som delvis avsatte fiberfragmenter), og føres ut fra kjøkkenapparatet for etterbehandling i en miljøkontrollert ovn. Karboniseringen starter i et temperaturkammer, overfører fibrene til ca. 700 °C til 700 °C og slutter i et varmekammer ved ca. 1200 °C til 1500 °C. 1500 °C). Antall kamre bestemmes av modulen som kreves i karbonfiberen; den relativt høye prisen på karbonfibre med høy og moderat høy modulus skyldes delvis kontinuiteten og temperaturen som må oppnås av varmeovnen. Selv om kontinuiteten er proprietær og hver karbonfiberkvalitet er helt forskjellig, beregnes oksidasjonskontinuiteten i timer, men karboniseringshastigheten reduseres med en størrelsesorden i minutter. Når fiberen endrer tilstand, reduserer den vekt og volum, forkorter lengden med fem til 100 % og reduserer diameteren. Faktisk er det kvantitative forholdet mellom PAN-forløperen og PAN-karbonfiberen omtrent 2:1, og forskyvningsevnen er mindre enn to – det vil si at mye mindre materiale kommer inn i prosessen. Denne metoden kombinerer O2-molekyler fra luften med PAN-fibre i varpen og initierer tverrbinding av forbindelseskjedene. Dette vil øke fibertettheten fra ~1,18 g/cc til 1,38 g/cc.
karbonfiber Karbonisering

Overflatebehandling og dimensjonering

Overflatebehandling og dimensjonering
Det neste trinnet er avgjørende for fiberens ytelse, og i tillegg til forløperne, skiller det best en leverandørs produkt fra konkurrentenes produkter. Adhesjonen mellom den organiske matriseforbindelsen og dermed karbonfibrene er avgjørende for å forsterke kompositten. Gjennom hele karbonfiberproduksjonsprosessen utføres en overflatebehandling for å forbedre denne adhesjonen.

Produsenter bruker helt forskjellige behandlingsmetoder, men standardteknikken er å trekke fibrene gjennom assosiert kjemi eller celler som inneholder løsningen, som desinfeksjonsmiddel eller syre. Disse materialene trykker eller endrer overflaten til hvert filament, noe som øker arealet som er tilgjengelig for overflatefiber/matrisebinding og tilfører reaktive kjemiske grupper som karboksylsyrer. Deretter påføres et svært proprietært belegg kalt lim. Med 0,5 til 5 vekt% av karbonfiberen beskytter limet karbonfibrene i en assosiert mellomform, som en tørr klut og en prepreg, gjennom hele prosessen (f.eks. veving). Limet holder også monofilamentene sammen for å redusere lo, forbedre bearbeidingsevnen og øke overflateskjærstyrken mellom fibrene og matriseforbindelsen.

Publisert: 1. november 2018
WhatsApp online chat!