CUM SE FABRICA FIBRĂ DE CARBON?

Fibra de carbon, compusă din combinații de materiale diferite (fibră și rășină), variabilitatea acesteia și, prin urmare, adaptabilitatea, sunt esențiale pentru farmecul lor. Ca înlocuitori de metal, compozitele din fibră de carbon oferă o rezistență de zece ori mai mare decât oțelul. Producătorii de fibră de carbon creează produse similare, dar nu identice. Fibra de carbon variază în ceea ce privește modulul de tracțiune (sau rigiditatea determinată ca deformare sub deformare) și rezistența la tracțiune, compresie și oboseală.

Contactaţi-ne

Fibra de carbon pe bază de PAN este disponibilă astăzi cu modul scăzut (mai puțin de 32 de milioane lbf/in² sau Msi), modul obișnuit (33 până la 36 Msi), modul intermediar (40 până la 50 Msi), modul ridicat (50 până la 70 Msi) și modul ultra-înalt (70 până la 140 Msi).
În termeni simpli, fibra de carbon este creată prin depunerea fibrei precursoare organice într-o atmosferă inertă la temperaturi mai mari de 982,22 °C (1800 °F). Fabricarea fibrei de carbon, însă, poate fi o întreprindere complexă.

Polimerizare și filare

Polimerizare

Procesul începe cu un compus chimic de alimentare, denumit precursor, care are coloana moleculară a fibrei. Astăzi, aproximativ 100% din fibra de carbon creată este fabricată din precursori pe bază de țesătură sau smoală, însă cea mai mare parte provine din poliacrilonitril (PAN), fabricat din nitriți, iar nitriții provin din substanțele chimice industriale propan și amoniac.

De obicei, formularea precursorului începe cu un compus nitril de grad asociat care este combinat într-un reactor cu un monomer acrilic plastifiat și un catalizator precum acid, dioxid, ulei de vitriol sau acid. Combinarea continuă permite ingredientelor să se combine, asigurând o anumită consistență și puritate și inițiind formarea de radicali liberi în structura moleculară a nitritului. Această modificare duce la un proces chimic care produce polimeri cu lanț lung care formează fibre acrilice. Detalii despre procesul chimic, cum ar fi temperatura, atmosfera, monomerii și catalizatorii specifici, sunt brevetate. După spălare și uscare, nitritul sub formă de pulbere este dizolvat într-un solvent organic precum sulfura de dietil (DMSO), dimetilacetamida (DMAC) sau dimetilformamida (DMF) sau într-un solvent lichid, cum ar fi clorura de număr atomic 30 și sărurile de rodamină. Solvenții organici ajută la evitarea contaminării cu urme de particule metalice, care ar putea afecta stabilitatea termică aerofilă a procesului și ar putea întârzia performanța termică a fibrei finite. În această etapă, suspensia de pulbere și solvent sau „acoperirea” precursorului are consistența siropului. Selecția solventului și, prin urmare, gradul de gestionare a viciosității acoperirii (prin filtrare în profunzime) sunt vitale pentru succesul etapelor ulterioare de formare a fibrelor.
Filare
Fibrele PAN sunt fabricate printr-o metodă numită filare umedă. Acoperirea este imersată într-un tub de procesare organică lichidă și extrudată printr-o gaură într-o filatoare fabricată din oțel inoxidabil. Pasajul este adaptat la numărul necesar de filamente ale fibrei PAN (de exemplu, 12.000 de găuri din fibră de carbon 12K). Această fibră filată umedă, relativ groasă și fragilă, este trasă printr-o rolă pentru a elimina excesul de agent, apoi uscată și întinsă pentru a continua orientarea compusului PAN. Aici, forma și secțiunea transversală internă a filamentelor sunt determinate de măsura în care solventul și agentul ales pătrund în fibrele precursoare, de cantitatea de tensiune aplicată și de alungirea în perechi a filamentelor. Aceasta din urmă este proprietatea fiecărui producător. O alternativă la filarea umedă ar putea fi o metodă de amestecare numită sablare uscată/filare umedă, care utilizează un spațiu de aer vertical între fibre și tubul de procesare organică. Aceasta duce la o fibră PAN sferică elegantă care îmbunătățește interfața fibră/matrice colofoniu în cadrul compozitului. Ultimul pas în formarea fibrelor precursoare PAN este utilizarea uleiurilor de finisare pentru a preveni aglomerarea filamentelor vâscoase. Fibrele PAN albe sunt apoi uscate din nou și înfășurate pe o bobină.

Oxidare și carbonizare

Oxidare

Aceste bobine sunt încărcate în coș, iar în cea mai lungă etapă de producție, cea de oxidare, fibrele PAN sunt alimentate printr-o serie de cuptoare dedicate. Înainte de a intra în aparatul principal de bucătărie, fibrele PAN se îmbină într-un cablu sau o foaie numită urzeală. Temperatura camerei variază de la 392 °F (aproximativ 200 °C) la 572 °F (300 de grade Celsius).

Pentru a evita pierderea căldurii în timpul oxidării (pierderea entalpiei estimată în timpul oxidării, calculată la 2.000 kJ/kilogram, adică riscul real al cuptoarelor), producătorii de electrocasnice utilizează un flux de aer distribuit pentru a ajuta la disiparea căldurii și la controlul temperaturii. Impulsat de o anumită substanță chimică precursoare, timpul de oxidare este diferit, dar Littler estimează că firul de 24K va fi transformat cu o viteză de aproximativ 43 de picioare pe 13 metri pe minut pe o linie supradimensionată cu mai multe cuptoare de oxidare. În cele din urmă, fibrele PAN alternative (stabilizate) conțin între 500 și 65 de molecule de carbon, restul fiind gaz, o combinație de 7 și O.
Carbonizare
Carbonizarea are loc într-o atmosferă inertă (fără oxigen) într-o serie de cuptoare special concepute, crescând treptat temperatura procesului. La nivelul apei și la ieșirea din fiecare cameră, camera de îmbunătățire previne pătrunderea O2, deoarece fiecare moleculă de O2 care trece prin aparatul de bucătărie îndepărtează o parte din fibre. Acest lucru poate preveni pierderea de carbon generată la o astfel de căldură. În absența O2, doar moleculele fără carbon, inclusiv compușii și alți compuși organici volatili (stabilizați la un nivel de 40 până la 80 ppm) și particulele (cum ar fi fragmentele de fibre parțial depuse) sunt îndepărtate și evacuate din aparat pentru post-tratare într-un cuptor cu mediu controlat. Carbonizarea începe într-o cameră de temperatură, transferă fibrele la 1292 °F (aproximativ 700 °C) până la 1472 °F (700 °C până la 800 °C) și se termină într-o cameră de încălzire la 2192 °F (aproximativ 1.200 °C) până la 2732 °F (aproximativ 1.500 °C). 1500 °C). Numărul de camere este determinat de modulul necesar în fibra de carbon; prețul relativ ridicat al fibrelor de carbon cu modul înalt și imoderat se datorează parțial rezistenței și temperaturii care trebuie atinse de cuptorul de încălzire. Deși rezistența este proprie și fiecare grad de fibră de carbon este complet diferit, rezistența la oxidare este calculată în ore, însă rata de carbonizare este redusă cu un ordin de mărime în minute. Odată ce fibra se schimbă, aceasta reduce greutatea și volumul, scurtează lungimea cu 5 până la 100% și reduce diametrul. De fapt, raportul cantitativ de conversie al precursorului PAN în fibra de carbon PAN este de aproximativ 2:1, iar capacitatea de deplasare este mai mică decât a două - adică, mult mai puțin material intră în proces. Această metodă combină moleculele de O din aer cu fibrele PAN din urzeală și inițiază reticularea lanțurilor compuse. Aceasta va crește densitatea fibrei de la ~1,18 g / cc până la 1,38 g / cc.

Tratarea suprafeței și dimensionarea

Tratarea suprafeței și dimensionarea
Următorul pas este esențial pentru performanța fibrei și, pe lângă precursori, este cel care distinge cel mai bine produsul unui furnizor de cel al concurenței. Aderența dintre compusul organic al matricei și, prin urmare, fibrele de carbon este esențială pentru armarea compozitului; pe parcursul procesului de producere a fibrei de carbon, se efectuează un tratament de suprafață pentru a spori această aderență.

Data publicării: 01 noiembrie 2018

Cum se face fibră de carbon?

CUM SE FABRICA FIBRĂ DE CARBON?

Polimerizare și filare

Oxidare și carbonizare

Tratarea suprafeței și dimensionarea