English

Kako narediti ogljikova vlakna?

KAKO IZDELATI OGLJIKOVA VLAKNA?

Ogljikova vlakna, sestavljena iz kombinacij različnih materialov (vlaken in smole), so zaradi svoje spremenljivosti in prilagodljivosti osrednjega pomena za njihov čar. Kot nadomestek za kovine zagotavljajo kompoziti iz ogljikovih vlaken desetkrat večjo trdnost kot jeklo. Proizvajalci ogljikovih vlaken ustvarjajo izdelke, ki so podobni, vendar ne enaki. Ogljikova vlakna se razlikujejo po nateznem modulu (ali togosti, določeni kot deformacija pod napetostjo) ter natezni, tlačni in utrujenostni trdnosti.

Kontaktirajte nas

Ogljikova vlakna na osnovi PAN so danes na voljo v nizkem modulu (manj kot 32 milijonov lbf/in² ali Msi), običajnem modulu (33 do 36 Msi), srednjem modulu (40 do 50 Msi), visokem modulu (50 do 70 Msi) in ultra visokem modulu (70 do 140 Msi).
Najpreprosteje povedano, ogljikova vlakna nastanejo s premikom organskih prekurzorskih vlaken pridružene stopnje v inertni atmosferi pridružene stopnje pri temperaturah višjih od 982,22 °C (1800 °F). Vendar pa je proizvodnja ogljikovih vlaken lahko napreden posel.

ogljikovih vlaken

Polimerizacija in predenje

Polimerizacija

Postopek se začne s kemično mešanico, imenovano predhodnik, ki ima molekularno ogrodje vlaken. Danes je približno 100 odstotkov proizvedenih ogljikovih vlaken izdelanih iz predhodnikov na osnovi tkanine ali smole, vendar večina izvira iz poliakrilonitrila (PAN), izdelanega iz nitrita, nitrit pa izvira iz industrijskih kemikalij propana in amoniaka.

Preberi več
Običajno se priprava predhodnika začne z nitrilno spojino pridružene stopnje, ki se v reaktorju kombinira s plastificiranim akrilnim komonomerom in katalizatorjem, kot je kislina, dioksid, vitriol ali kislina. Neprekinjeno mešanje omogoča, da se sestavine združijo, kar ustvari določeno konsistenco in čistost ter sproži nastanek prostih radikalov v molekularni strukturi nitrita. Ta modifikacija povzroči kemični proces, ki proizvaja dolgoverižne polimere, ki tvorijo akrilna vlakna. Podrobnosti kemijskega procesa, kot so temperatura, atmosfera, specifični komonomeri in katalizatorji, so lastniške. Po pranju in sušenju se nitrit v obliki prahu raztopi v organskem topilu pridružene stopnje, kot je dimetil sulfid (DMSO), dimetilacetamid (DMAC) ali dimetilformamid (DMF), ali v tekočem topilu pridružene stopnje, kot sta klorid z atomsko številko 30 in rodaminske soli. Organska topila preprečujejo kontaminacijo s sledovi kovinskih delcev, ki bi lahko škodovali toplotni aerofilni stabilnosti postopka in upočasnili toplotno učinkovitost končnih vlaken. Na tej stopnji suspenzija prahu in topila ali "premaz" predhodnika doseže konsistenco sirupa. Izbira topila in s tem stopnja nadzora agresivnosti premaza (z globinsko filtracijo) sta ključnega pomena za uspeh naslednje faze tvorbe vlaken.
Predenje
PAN vlakna so izdelana z metodo, imenovano mokro predenje. Premaz se potopi v tekočo kad z naravnim procesom in ekstrudira skozi luknjo v predilnici, izdelani iz dragocenega materiala. Prehod je prilagojen zahtevani količini filamentov PAN vlaken (npr. 12.000 lukenj 12K ogljikovih vlaken). Ta relativno debela in krhka mokro predena vlakna se potegnejo skozi valj, da se odstrani odvečno sredstvo, nato se posušijo in raztegnejo, da se ohrani orientacija PAN spojine. Tukaj sta oblika in notranji presek filamentov določena s stopnjo, v kateri izbrano topilo in sredstvo prodreta v predhodna vlakna, količino uporabljene napetosti in raztezkom filamentov. Slednje je last vsakega proizvajalca. Alternativa mokremu predenju je lahko mešana metoda, imenovana suho peskanje/mokro predenje, ki uporablja navpično zračno režo med vlakni in kadjo z naravnim procesom. To vodi do elegantnih sferičnih PAN vlaken, ki izboljšajo stik med vlakni in matričnim kolofonom znotraj kompozita. Zadnji korak pri oblikovanju predhodnih PAN vlaken je uporaba zaključnih olj za preprečevanje aglomeracije viskoznih filamentov. Bela PAN vlakna se nato ponovno posušijo in navijejo na tuljavo.
Peč za oksidacijo ogljikovih vlaken

Oksidacija in karbonizacija

Oksidacija

Te vretenca se naložijo v košaro in v najdaljši proizvodni fazi, fazi oksidacije, se vlakna PAN dovajajo skozi vrsto namenskih peči. Preden vstopijo v glavni kuhinjski aparat, se vlakna PAN zvijejo v predivo ali ploščo, imenovano osnova. Temperatura v komori se giblje od približno 200 °C do 300 °C.

Preberi več
Da bi se izognili nekontroliranemu sproščanju toplote (ocenjena entalpijska sprostitev med oksidacijo, izračunana na 2000 kJ/kilogram, kar je resnična nevarnost požarov), proizvajalci gospodinjskih aparatov uporabljajo razprševanje pretoka zraka za pomoč pri odvajanju toplote in uravnavanju temperature. Čas oksidacije, ki ga poganja določena predhodna kemikalija, je različen, vendar Littler ocenjuje, da se bo 24K vlakno spreminjalo s hitrostjo približno 43 čevljev na 13 metrov na minuto na preveliki liniji z več oksidacijskimi pečmi. Nazadnje, alterirana (stabilizirana) PAN vlakna vsebujejo od približno 500 do približno 65 molekul ogljika, preostanek pa je plin, mešanica atomskega števila 7 in O.
Karbonizacija
Karbonizacija poteka v inertni (brezkisikovi) atmosferi v seriji posebej zasnovanih peči, pri čemer se postopoma povečuje temperatura procesa. Na vodnem telesu in izhodu vsake komore izboljšalna komora preprečuje vdor O2, saj vsaka molekula O2, ki prehaja skozi aparat, odstrani del vlaken. To lahko prepreči izgubo ogljika, ki nastane pri takšni toploti. V odsotnosti O2 se odstranijo samo neogljikove molekule, vključno s spojinami in drugimi hlapnimi organskimi spojinami (stabiliziranimi na stopnji od 40 do 80 ppm) in delci (kot so delno odloženi delci vlaken) in se nato izpustijo iz aparata za naknadno obdelavo v temperaturno nadzorovani peči. Karbonizacija se začne v temperaturni komori, vlakna se prenesejo na približno 700 °C do 800 °C in konča v toplotni komori pri približno 1200 °C do 1500 °C. 1500 °C). Število komor je določeno z modulom, potrebnim znotraj ogljikovih vlaken; relativno visoka cena ogljikovih vlaken z visokim in zmernim modulom je delno posledica obstojnosti in temperature, ki jo mora doseči toplotna peč. Čeprav je obstojnost lastniška in je vsaka vrsta ogljikovih vlaken popolnoma drugačna, se oksidacijska obstojnost izračuna v urah, vendar se stopnja karbonizacije v minutah zmanjša za velikostni red. Ko vlakno spremeni stanje, zmanjša težo in prostornino, skrajša dolžino za 5 do 100 % in zmanjša premer. Pravzaprav je količinsko razmerje pretvorbe predhodnika PAN v ogljikova vlakna PAN približno 2:1, sposobnost izpodrivanja pa je manjša kot pri dveh – to pomeni, da v postopek vstopi veliko manj materiala. Ta metoda združuje molekule O iz zraka z vlakni PAN znotraj osnove in sproži zamreženje sestavljenih verig. To poveča gostoto vlaken s ~1,18 g/cc na 1,38 g/cc.
Karbonizacija ogljikovih vlaken

Površinska obdelava in dimenzioniranje

Površinska obdelava in dimenzioniranje
Naslednji korak je bistvenega pomena za delovanje vlaken in poleg predhodnikov najbolje loči izdelek enega dobavitelja od izdelka konkurence. Adhezija med matrično organsko spojino in s tem ogljikovimi vlakni je bistvena za ojačitev kompozita; med celotnim postopkom proizvodnje ogljikovih vlaken se izvaja površinska obdelava za povečanje te adhezije.

Preberi več
Proizvajalci uporabljajo popolnoma različne načine obdelave, vendar je standardna tehnika vlečenje vlaken skozi snov, ki vsebuje raztopino, kot je razkužilo ali kislina. Ti materiali natisnejo ali spremenijo površino vsakega filamenta, kar poveča prostor, ki je na voljo za vezavo vlaken/matrike, in doda reaktivne kemične skupine, kot so karboksilne kisline. Nato se nanese zelo lastniški premaz, imenovan klejivo. Pri 0,5 do 5 % teže ogljikovih vlaken klejivo med postopkom in postopkom (npr. tkanjem) ščiti ogljikova vlakna v snovno vmesno obliko, kot sta suha tkanina in prepreg. Klejivo tudi drži monofilamente vzdolž, da zmanjša puhanje, izboljša procesno zmogljivost in poveča površinsko strižno trdnost med vlakni in s tem organsko spojino matrice.
Čas objave: 1. november 2018
Spletni klepet na WhatsAppu!