AKO VYROBIŤ UHLÍKOVÉ VLÁKNA?

Uhlíkové vlákna, zložené z kombinácií rôznych materiálov (vlákna a živice), ich variabilita a teda prispôsobiteľnosť sú kľúčové pre ich šarm. Ako náhrada kovu poskytujú kompozity z uhlíkových vlákien desaťkrát väčšiu pevnosť ako oceľ. Výrobcovia uhlíkových vlákien vytvárajú produkty, ktoré sú síce podobné, ale nie identické. Uhlíkové vlákna sa líšia modulom ťahu (alebo tuhosťou určenou ako deformácia pod napätím) a pevnosťou v ťahu, tlaku a únave.

Kontaktujte nás

Uhlíkové vlákna na báze PAN sú v súčasnosti dostupné s nízkym modulom (menej ako 32 miliónov lbf/in² alebo Msi), bežným modulom (33 až 36 Msi), stredným modulom (40 až 50 Msi), vysokým modulom (50 až 70 Msi) a ultravysokým modulom (70 až 140 Msi).
Najjednoduchšie povedané, uhlíkové vlákno sa vytvára presunom organického prekurzorového vlákna s pridruženým stupňom v inertnej atmosfére s pridruženým stupňom pri teplotách vyšších ako 982,22 °C. Výroba uhlíkových vlákien však môže byť pokročilým odvetvím.

Polymerizácia a spriadanie

Polymerizácia

Proces začína chemickou zmesou vstupných surovín nazývanou prekurzor, ktorý má molekulárnu kostru vlákna. V súčasnosti sa približne 100 percent vyrobených uhlíkových vlákien vyrába z prekurzorov na báze tkaniny alebo smoly, avšak väčšina z nich pochádza z polyakrylonitrilu (PAN), ktorý sa vyrába z dusitanov, a dusitany pochádzajú z priemyselných chemikálií propánu a amoniaku.

Formulácia prekurzora zvyčajne začína nitrilovou zlúčeninou pridruženého stupňa, ktorá sa v reaktore zmieša s plastifikovaným akrylovým komonomérom a katalyzátorom, ako je kyselina, oxid uhličitý, vitriolový olej alebo kyselina. Nepretržité zmiešavanie umožňuje zloženie zmiešať sa, čím sa dosiahne určitá konzistencia a čistota a iniciuje sa tvorba voľných radikálov v molekulárnej štruktúre dusitanov. Táto modifikácia vedie k chemickému procesu, ktorý produkuje polyméry s dlhým reťazcom, ktoré tvoria akrylové vlákna. Podrobnosti o chemickom procese, ako je teplota, atmosféra, špecifické komonoméry a katalyzátory, sú individuálne. Po vypraní a vysušení sa dusitan v práškovej forme rozpustí v organickom rozpúšťadle pridruženého stupňa, ako je dimetylsulfid (DMSO), dimetylacetamid (DMAC) alebo dimetylformamid (DMF), alebo v kvapalnom rozpúšťadle pridruženého stupňa, ako je chlorid s atómovým číslom 30 a soli rodamínu. Organické rozpúšťadlá pomáhajú predchádzať kontaminácii stopovými kovovými časticami, ktoré by mohli poškodiť tepelnú aerofilnú stabilitu procesu a spomaliť tepelnú účinnosť hotového vlákna. V tejto fáze má suspenzia prášku a rozpúšťadla alebo „povlak“ prekurzora konzistenciu sirupu. Výber rozpúšťadla a teda aj stupeň kontroly drsnosti povlaku (prostredníctvom hĺbkovej filtrácie) je kľúčový pre úspech následnej fázy tvorby vlákien.
Pradenie
PAN vlákna sa vyrábajú metódou nazývanou mokré spriadanie. Povlak sa ponorí do tekutej prirodzenej technologickej vane a pretlačí sa cez otvor v zvlákňovacej tryske vyrobenej z drahého kovu. Priechod je prispôsobený požadovanému počtu vlákien PAN vlákna (napr. 12 000 otvorov z 12K uhlíkových vlákien). Toto relatívne hrubé a krehké mokré spriadané vlákno sa preťahuje cez valec, aby sa odstránilo prebytočné činidlo, potom sa suší a naťahuje, aby sa zachovala orientácia PAN zmesi. Tvar a vnútorný prierez vlákien sú tu určené mierou, do akej zvolené rozpúšťadlo a činidlo preniká do prekurzorových vlákien, množstvom aplikovaného napätia a predĺžením vlákien. To je vlastníctvo každého výrobcu. Alternatívou k mokrému spriadaniu môže byť zmiešaná metóda nazývaná suché tryskanie/mokré spriadanie, ktorá využíva vertikálnu vzduchovú medzeru medzi vláknami a prirodzenou technologickou vaňou. To vedie k elegantnému sférickému PAN vláknu, ktoré zlepšuje rozhranie vlákna/matricovej kolofónie v kompozite. Posledným krokom pri tvorbe prekurzorových PAN vlákien je použitie dokončovacích olejov na zabránenie zhlukovaniu viskóznych vlákien. Biele PAN vlákna sa potom opäť vysušia a navinú na cievku.

Oxidácia a karbonizácia

Oxidácia

Tieto cievky sa vložia do koša a počas najdlhšej výrobnej, oxidačnej fázy, sa vlákna PAN prevedú sériou špecializovaných pecí. Predtým, ako vstúpia do hlavného kuchynského spotrebiča, sa vlákna PAN zvinú do kúdele alebo listu nazývaného osnova. Teplota komory sa pohybuje od cca 200 °C do 300 °C.

Aby sa predišlo nadmernému uvoľneniu tepla (odhadované uvoľnenie entalpie počas oxidácie, vypočítateľné na 2 000 kJ/kilogram, čo predstavuje skutočné riziko požiaru), výrobcovia kuchynských spotrebičov používajú rozptyl prúdenia vzduchu na podporu rozptylu tepla a regulácie teploty. Poháňaný konkrétnou prekurzorovou chemikáliou je čas oxidácie odlišný, ale Littler odhaduje, že 24K vlákno sa bude meniť rýchlosťou približne 43 stôp na 13 metrov za minútu na nadrozmernej linke s viacerými oxidačnými pecami. Nakoniec, alterované (stabilizované) PAN vlákna obsahujú približne 500 až 65 molekúl uhlíka, pričom zvyšok tvorí plyn, zmes atómového čísla 7 a O.
Karbonizácia
Karbonizácia prebieha v inertnej (bezkyslíkovej) atmosfére v sérii špeciálne navrhnutých pecí, pričom sa postupne zvyšuje teplota procesu. V priestore s vodou a na výstupe z každej komory zlepšovacia komora zabraňuje vniknutiu O2, pretože každá molekula O2 prechádzajúca spotrebičom odstráni časť vlákien. To môže zabrániť strate uhlíka generovaného pri takejto teplote. Pri neprítomnosti O2 sa odstraňujú iba neuhlíkové molekuly, vrátane zlúčenín a iných prchavých organických zlúčenín (stabilizovaných na úrovni 40 až 80 ppm) a častice (ako sú čiastočne usadené úlomky vlákien) a vypúšťajú sa zo spotrebiča na následné spracovanie v peci s kontrolovanou teplotou. Karbonizácia začína v tepelnej komore, premiestňuje vlákna na približne 700 °C až 800 °C a končí v tepelnej komore pri približne 1 200 °C až 1 500 °C. 1500 °C). Počet komôr je určený modulom potrebným v uhlíkových vláknach; pomerne vysoká cena vysoko a stredne vysokomodulových uhlíkových vlákien je čiastočne spôsobená trvanlivosťou a teplotou, ktorú musí dosiahnuť tepelná pec. Hoci trvanlivosť je patentovaná a každý druh uhlíkových vlákien je úplne iný, trvanie oxidácie sa počíta v hodinách, rýchlosť karbonizácie sa v minútach zníži rádovo. Keď vlákno zmení skupenstvo, znižuje hmotnosť a objem, skracuje dĺžku o 5 až 100 % a znižuje priemer. V skutočnosti je pomer kvantitatívnej konverzie prekurzora PAN na uhlíkové vlákno PAN približne 2:1 a schopnosť vytesňovania je menšia ako u dvoch – to znamená, že do procesu vstupuje oveľa menej materiálu. Táto metóda kombinuje molekuly O zo vzduchu s vláknami PAN v osnove a iniciuje zosieťovanie zlúčených reťazcov. To zvýši hustotu vlákien z ~1,18 g/cm3 na 1,38 g/cm3.

Povrchová úprava a glejenie

Povrchová úprava a glejenie
Ďalší krok je nevyhnutný pre výkonnosť vlákien a okrem prekurzorov najlepšie odlišuje produkt jedného dodávateľa od produktu konkurencie. Adhézia medzi matricovou organickou zlúčeninou a teda uhlíkovými vláknami je nevyhnutná pre vystuženie kompozitu; počas celého procesu výroby uhlíkových vlákien sa vykonáva povrchová úprava na zvýšenie tejto adhézie.

Čas uverejnenia: 1. novembra 2018

Ako vyrobiť uhlíkové vlákno?

AKO VYROBIŤ UHLÍKOVÉ VLÁKNA?

Polymerizácia a spriadanie

Oxidácia a karbonizácia

Povrchová úprava a glejenie