JAK ZROBIĆ WŁÓKNO WĘGLOWE?

Włókno węglowe, składające się z kombinacji różnych materiałów (włókna i żywicy), ich zmienność, a zatem możliwość dostosowania, są kluczowe dla ich uroku. Jako zamiennik metalu, kompozyty z włókna węglowego zapewniają dziesięciokrotnie większą wytrzymałość niż stal. Producenci włókna węglowego tworzą produkty, które są podobne, ale nie identyczne. Włókno węglowe różni się modułem rozciągania (lub sztywnością określaną jako odkształcenie poniżej odkształcenia) oraz wytrzymałością na rozciąganie, ściskanie i zmęczenie.

Skontaktuj się z nami

Włókno węglowe na bazie PAN jest obecnie dostępne w wersjach o niskim module (mniej niż trzydzieści dwa miliony lbf/in² lub Msi), zwykłym module (od 33 do trzydziestu sześciu Msi), module pośrednim (od 40 do pięćdziesięciu Msi), wysokim module (od 50 do siedemdziesięciu Msi) i ultrawysokim module (od 70 do 140 Msi).
Najprościej rzecz ujmując, włókno węglowe powstaje w wyniku przesunięcia organicznego włókna prekursorowego w atmosferze obojętnej w temperaturach wyższych niż 1800°F (982,22 °C). Produkcja włókna węglowego może być jednak zaawansowanym przedsięwzięciem.

Polimeryzacja i przędzenie

Polimeryzacja

Proces zaczyna się od surowca chemicznego, zwanego prekursorem, który ma molekularny szkielet włókna. Obecnie około 100 procent wytwarzanego włókna węglowego powstaje z prekursorów na bazie tkaniny lub smoły, jednak większość z nich pochodzi z poliakrylonitrylu (PAN), wytwarzanego z azotynu, a azotyn pochodzi z przemysłowych środków chemicznych propanu i amoniaku.

Zazwyczaj formuła prekursora zaczyna się od związku nitrylowego, który jest łączony w bardzo reaktorze z uplastycznionym komonomerem akrylowym i katalizatorem, takim jak kwas, dwutlenek, olej witriolu lub kwas. Ciągłe łączenie pozwala składnikom łączyć się, zapewniając pewną konsystencję i czystość oraz inicjując tworzenie wolnych rodników w strukturze cząsteczkowej azotynu. Ta modyfikacja skutkuje procesem chemicznym, który wytwarza polimery o długim łańcuchu, które tworzą włókna akrylowe. Szczegóły procesu chemicznego, takie jak temperatura, atmosfera, konkretne komonomery i katalizatory, są zastrzeżone. Po praniu i suszeniu azotyn w postaci proszku jest rozpuszczany w rozpuszczalniku organicznym, takim jak dimetylosiarczek (DMSO), dimetyloacetamid (DMAC) lub dimetyloformamid (DMF) lub rozpuszczalniku ciekłym, takim jak chlorek o liczbie atomowej 30 i sole rodaminy. Rozpuszczalniki organiczne pomagają uniknąć zanieczyszczeń cząstkami metali śladowych, które mogą zaszkodzić termicznej stabilności aerofilowej metody i opóźnić wydajność cieplną gotowego włókna. Na tym etapie zawiesina proszku i rozpuszczalnika lub prekursorowa „powłoka” jest konsystencją syropu. Wybór rozpuszczalnika, a zatem stopień kontroli złośliwości powłoki (poprzez dogłębną filtrację) ma kluczowe znaczenie dla powodzenia kolejnego etapu formowania włókien.
Spinning
Włókna PAN są formowane metodą zwaną mokrym przędzeniem. Powłoka jest zanurzana w wannie z płynnym procesem naturalnym i wytłaczana przez otwór w dyszy przędzalniczej wykonanej z cennego materiału. Przejście jest dopasowane do wymaganej liczby włókien włókna PAN (np. 12 000 otworów włókna węglowego 12K). To stosunkowo grube i kruche włókno przędzone na mokro jest przeciągane przez wałek, aby pozbyć się nadmiaru środka, a następnie suszone i rozciągane, aby kontynuować orientację związku PAN. Tutaj kształt i wewnętrzny przekrój włókien są determinowane przez stopień, w jakim wybrany rozpuszczalnik i środek wnikają we włókna prekursorowe, ilość zastosowanego naprężenia, a także wydłużenie PC włókien. Ta ostatnia jest zastrzeżona dla każdego producenta. Alternatywą dla mokrego przędzenia może być metoda mieszana zwana suchym śrutowaniem/mokrym przędzeniem, która wykorzystuje pionową szczelinę powietrzną między włóknami a naturalnym procesem wanny. Prowadzi to do gładkiego, kulistego włókna PAN, które wzmacnia interfejs włókno/macierz żywicy w kompozycie. Ostatnim krokiem w formowaniu włókien prekursorowych PAN jest użycie olejów wykończeniowych w celu zatrzymania aglomeracji lepkich włókien. Białe włókna PAN są następnie ponownie suszone i nawijane na szpulę.

Utlenianie i karbonizacja

Utlenianie

Te szpule są ładowane do kosza, a w najdłuższym etapie produkcji, etapie utleniania, włókna PAN są podawane przez szereg dedykowanych pieców. Zanim trafią do głównego urządzenia kuchennego, włókna PAN są układane w pasmo lub arkusz zwany osnową. Temperatura komory waha się od 392 °F (ok. 200 °C) do 572 °F (300 stopni Celsjusza).

Aby uniknąć niekontrolowanego uwalniania ciepła (szacowane uwalnianie entalpii podczas utleniania, obliczane na 2000 kJ/kilogram, przesuń Prawdziwe zagrożenie kominków), producenci urządzeń kuchennych stosują rozprzestrzenianie się strumieni powietrza, aby pomóc rozproszyć ciepło i kontrolować temperaturę. Napędzany przez konkretny prekursor chemiczny, czas utleniania jest całkowicie inny, jednak Littler szacuje, że 24K holowanie będzie zmieniane z szybkością około czterdziestu trzech stóp na trzynaście metrów na minutę na linii o dużych rozmiarach z wieloma piecami utleniającymi. Na koniec, zmienione (stabilizowane) włókna PAN zawierają od około pięciuset do około sześćdziesięciu pięciu cząsteczek węgla, a resztę stanowi gaz, mieszanka liczby atomowej 7 i O.
Zwęglenie
Karbonizacja zachodzi w obojętnej (beztlenowej) atmosferze w serii specjalnie zaprojektowanych pieców, stopniowo zwiększając temperaturę procesu. W zbiorniku wodnym i na wylocie każdej komory komora ulepszania zapobiega wnikaniu O, ponieważ każda cząsteczka O przechodząca przez urządzenie kuchenne usuwa trochę włókien. Może to zapobiec utracie węgla wytworzonego przy takim cieple. W przypadku braku O usuwane są wyłącznie cząsteczki niewęglowe, wraz ze związkami i innymi lotnymi związkami organicznymi (stabilizowanymi na poziomie od czterdziestu do osiemdziesięciu ppm) oraz cząstkami stałymi (takimi jak częściowo osadzone fragmenty włókien) i odprowadzane z urządzenia kuchennego w celu późniejszej obróbki w piecu o kontrolowanym środowisku. karbonizacja rozpoczyna się w komorze temperaturowej, przenosi włókna do 1292 °F (ok. 700 °C) do 1472 °F (700 °C do 800 °C) i kończy się w komorze cieplnej w 2192 °F (ok. 1200 °C) do 2732 °F (ok. 1500 °C). Liczba komór jest ustalana przez moduł potrzebny w włóknie węglowym; stosunkowo wysoka cena włókien węglowych o wysokim i umiarkowanym wysokim module wynika częściowo z ciągłości i temperatury, które muszą zostać osiągnięte przez piec cieplny. chociaż ciągłość jest zastrzeżona i każdy gatunek włókna węglowego jest zupełnie inny, ciągłość utleniania jest obliczana w godzinach, jednak szybkość karbonizacji jest zmniejszana o rząd wielkości w minutach. Gdy włókno zmienia stan, zmniejsza wagę i objętość, skraca długość o pięć do 100% i zmniejsza średnicę. W rzeczywistości stosunek ilościowy konwersji prekursora PAN do włókna węglowego PAN wynosi około 2:1, a także zdolność wypierania jest mniejsza niż para — to znaczy, że do metody wchodzi znacznie mniej materiału. Ta metodologia łączy cząsteczki O z powietrza z włóknami PAN w osnowie i inicjuje sieciowanie łańcuchów złożonych. Zwiększy to gęstość włókien z ~1,18 g/cm3 do 1,38 g/cm3.

Obróbka powierzchni i kalibrowanie

Obróbka powierzchni i kalibrowanie
Następny krok jest niezbędny dla wydajności włókien, a dodatkowo do prekursorów, najlepiej odróżnia produkt jednego dostawcy od produktu konkurencji. Przyczepność między organicznym związkiem matrycy a włóknami węglowymi jest niezbędna do wzmocnienia kompozytu; w całej metodzie produkcji włókien węglowych przeprowadza się obróbkę powierzchni w celu zwiększenia tej przyczepności.

Czas publikacji: 01-11-2018

Jak zrobić włókno węglowe?

JAK ZROBIĆ WŁÓKNO WĘGLOWE?

Polimeryzacja i przędzenie

Utlenianie i karbonizacja

Obróbka powierzchni i kalibrowanie