Si të bëni fibra karboni?

Fibra e karbonit, e përbërë nga kombinime materialesh të ndryshme (fibra dhe rrëshirë), ndryshueshmëria e tyre dhe, si rrjedhojë, përshtatshmëria e tyre janë thelbësore për bukurinë e tyre. Si zëvendësim i metalit, përbërësit e fibrave të karbonit ofrojnë dhjetë herë më shumë forcë se çeliku. Prodhuesit e fibrave të karbonit krijojnë produkte që janë të ngjashme, por jo identike. Fibra e karbonit ndryshon në modulin e tërheqjes (ose ngurtësinë e përcaktuar si deformim nën tendosje) dhe rezistencën në tërheqje, në kompresim dhe në lodhje.

Fibra karboni me bazë PAN është e disponueshme këto ditë në modul të ulët (më pak se tridhjetë e dy milionë lbf/in² ose Msi), modul të zakonshëm (33 deri në tridhjetë e gjashtë Msi), modul të ndërmjetëm (40 deri në pesëdhjetë Msi), modul të lartë (50 deri në shtatëdhjetë Msi) dhe modul ultra të lartë (70 deri në njëqind e dyzet Msi).
Në terma më të thjeshtë, fibra e karbonit krijohet nga zhvendosja e fibrave pararendëse organike të gradës së asociuar në një atmosferë inerte të gradës së asociuar në temperatura më të larta se 1800°F (982.22°C). Prodhimi i fibrave të karbonit, megjithatë, mund të jetë një ndërmarrje e përparuar.

fibër karboni

Polimerizimi dhe tjerrja

Polimerizim

Procesi fillon me një lëndë të parë të përbërë kimike të referuar si pararendës që ka bazën molekulare të fibrës. Sot, rreth 100 përqind e fibrës së karbonit të krijuar është bërë nga pëlhurë ose pararendës me bazë katrani, megjithatë pjesa më e madhe e saj vjen nga poliakrilonitrili (PAN), i prodhuar nga nitriti, dhe nitriti vjen nga kimikatet industriale propani dhe amoniaku.

Në mënyrë tipike, formulimi pararendës fillon me një përbërje nitrike të gradës së asociuar që kombinohet në një reaktor me një monomer akrilik të plastifikuar dhe një katalizator si acid, dioksid, vaj sulfidi ose acid. Kombinimi i vazhdueshëm lejon që përbërësit të kombinohen, duke siguruar qëndrueshmëri dhe pastërti, dhe duke filluar formimin e radikaleve të lira brenda strukturës molekulare të nitritit. Ky modifikim rezulton në një proces kimik, që prodhon polimere me zinxhir të gjatë që formojnë fibrat akrilike. Detajet e procesit kimik, si temperatura, atmosfera, monomere specifike të nitritit dhe katalizatorë, janë pronë e pronarit. Pas larjes dhe tharjes, nitriti në formë pluhuri tretet në një tretës organik të gradës së asociuar si sulfid etilik dim (DMSO), dimetilacetamid (DMAC) ose dimetilformamid (DMF), ose në një tretës të lëngshëm të gradës së asociuar, si klorur me numër atomik 30 dhe kripëra rodamine. Tretësit organikë ndihmojnë në shmangien e ndotjes nga grimcat metalike të gjurmës, të cilat mund të dëmtojnë stabilitetin termik aerofil të procesit dhe të vonojnë performancën termike të fibrës së përfunduar. Në këtë fazë, pezullimi i pluhurit dhe tretësit ose "veshja" pararendëse është ajo që përcakton qëndrueshmërinë e shurupit. Përzgjedhja e tretësit dhe për rrjedhojë shkalla e menaxhimit të ashpërsisë së veshjes (përmes filtrimit të thellë) është jetike për suksesin e fazës pasuese të formimit të fibrave.
Rrotullim
Fibrat PAN janë të përmasave katrore të prodhuara me një metodë të quajtur tjerrje e lagësht. Veshja zhytet gjatë një vaske me proces të lëngshëm natyror dhe nxirret përmes një vrime gjatë një rrjeti tjerrjeje të prodhuar nga materiali i vlefshëm. Kalimi përputhet me llojin e kërkuar të filamenteve të fibrës PAN (p.sh., 12,000 vrima të fibrës së karbonit 12K). Kjo fibër relativisht e trashë dhe e brishtë e tjerrjes së lagësht tërhiqet përmes një ruli për të hequr substancën e tepërt, pastaj thahet dhe shtrihet për të vazhduar orientimin e përbërjes PAN. Këtu, forma dhe prerja tërthore e brendshme e filamenteve përcaktohen nga shkalla në të cilën tretësi dhe substanca e zgjedhur depërtojnë në fibrat pararendëse, sasia e tensionit të aplikuar dhe zgjatja PC e filamenteve. Kjo e fundit është pronë e çdo prodhuesi. Një alternativë ndaj tjerrjes së lagësht mund të jetë një metodë përzierjeje e quajtur pastrim i thatë/tjerrje e lagësht, që përdor një boshllëk vertikal ajri midis fibrave dhe vaskës me proces të thjeshtë. Kjo çon në një fibër sferike PAN të lëmuar që përmirëson ndërfaqen fibër/matricë kolofon brenda kompozitit. Hapi i fundit në formimin e fibrave pararendëse PAN është përdorimi i vajrave përfundues për të ndaluar grumbullimin e filamenteve viskoze. Fibrat e bardha PAN maten në katrorë, pastaj thahen përsëri dhe mbështillen në një bobinë.
furrë oksidimi me fibra karboni

Oksidimi dhe Karbonizimi

Oksidimi

Këto bobina me përmasa katrore ngarkohen në shportë dhe, brenda fazës më të gjatë të prodhimit, fazës së oksidimit, fibrat me përmasa katrore PAN ushqehen përmes një serie furrash të dedikuara. Përpara se të hyjnë në pajisjen kryesore të kuzhinës, fibrat me përmasa katrore PAN vendosen në një fije ose fletë të quajtur mbështjellëse. Temperatura e dhomës varion nga 392 °F (rreth 200 °C) deri në 572 °F (300 gradë Celsius).

Për të shmangur çlirimin e tepërt të nxehtësisë (çlirimi i vlerësuar i entalpisë gjatë oksidimit, i llogaritshëm në 2,000 kJ / kilogram, lëviz rrezikun e vërtetë të zjarrit), prodhuesit e pajisjeve të kuzhinës përdorin një shpërndarje të rrjedhës së ajrit për të ndihmuar në shpërndarjen e nxehtësisë dhe kontrollin e temperaturës. I nxitur nga një kimikat i veçantë pararendës, koha e oksidimit është krejtësisht e ndryshme, por Littler vlerëson se tërheqja 24K do të ndryshohet me një shpejtësi prej rreth 43 këmbë për 13 metra në minutë në një linjë të madhe me furra të shumëfishta oksidimi. Së fundmi, fibrat PAN të ndryshuara (të stabilizuara) përmbajnë nga rreth 500 deri në 600 molekula karboni, me pjesën tjetër që është gaz, një përzierje e numrit atomik 7 dhe O.
Karbonizimi
Karbonizimi ndodh gjatë një atmosfere inerte (pa oksigjen) në një seri furrash të projektuara posaçërisht, duke rritur hap pas hapi temperaturën e procesit. Në trupin e ujit dhe në dalje të çdo dhome, dhoma e përpunimit parandalon depërtimin e O2, pasi çdo molekulë O2 që kalon nëpër pajisjen e kuzhinës largon një pjesë të vogël të fibrave. Kjo mund të parandalojë humbjen e karbonit të gjeneruar në një nxehtësi të tillë. Në mungesë të O2, vetëm molekulat jo-karbon, së bashku me përbërjet dhe përbërjet e tjera organike të paqëndrueshme (të stabilizuara në një nivel prej 40 deri në 80 ppm) dhe grimcat (siç janë fragmentet e fibrave të depozituara pjesërisht) hiqen dhe shkarkohen nga pajisja e kuzhinës për trajtim të mëvonshëm në një furrë të kontrolluar nga mjedisi. Karbonizimi fillon gjatë një dhome temperature, transferon fibrat në 1292 °F (rreth 700 °C) deri në 1472 °F (700 °C deri në 800 °C) dhe përfundon gjatë një dhome nxehtësie në 2192 °F (rreth 1,200 °C) deri në 2732 °F (rreth 1,500 °C). 1500 ° C). Numri i dhomave përcaktohet nga moduli i nevojshëm brenda fibrës së karbonit; çmimi relativisht i lartë i fibrave të karbonit me modul të lartë dhe të lartë është pjesërisht për shkak të qëndrueshmërisë dhe temperaturës që duhet të arrihet nga furra e nxehtësisë. Megjithëse qëndrueshmëria është pronë e pronarit dhe çdo gradë e fibrës së karbonit është krejtësisht e ndryshme, qëndrueshmëria e oksidimit llogaritet në orë, por shkalla e karbonizimit zvogëlohet me një rend madhësie në minuta. Pasi fibra është në gjendje të ndryshuar, ajo zvogëlon peshën dhe vëllimin, shkurton gjatësinë nga 5 deri në 100% dhe zvogëlon diametrin. Në fakt, raporti sasior i konvertimit të pararendësit PAN me fibrën e karbonit PAN është afërsisht 2:1 dhe aftësia e zhvendosjes është më e vogël se një palë - domethënë, shumë më pak material hyn në metodë. Kjo metodologji kombinon molekulat O nga ajri me fibrat PAN brenda mbështjellësit dhe fillon lidhjen kryq të zinxhirëve të përbërë. Kjo do të rrisë dendësinë e fibrave nga ~1.18 g / cc deri në 1.38 g / cc.
Karbonizimi i fibrave të karbonit

Trajtimi sipërfaqësor dhe dimensionimi

Trajtimi sipërfaqësor dhe dimensionimi
Hapi tjetër është thelbësor për performancën e fibrave, dhe përveç pararendësve, ai dallon më së miri produktin e një furnizuesi nga produkti i konkurrentëve. Ngjitja midis përbërjes organike të matricës dhe për rrjedhojë fibrave të karbonit është thelbësore për përforcimin e kompozitit; gjatë gjithë metodës së prodhimit të fibrave të karbonit, kryhet një trajtim sipërfaqësor për të rritur këtë ngjitje.

Prodhuesit përdorin mënyra krejtësisht të ndryshme trajtimi, megjithatë teknika standarde është tërheqja e fibrave përmes kimikateve shoqëruese ose qelizës që përmban zgjidhjen, si dezinfektuesi ose acidi. Këto materiale shtypin ose ndryshojnë sipërfaqen e çdo fijeje, gjë që rrit hapësirën e disponueshme për lidhjen sipërfaqësore fibër/matricë dhe shton grupe kimike reaktive si acidet karboksil. Më pas, aplikoni një shtresë shumë të patentuar të njohur si madhësi. Me 0.5% deri në 5% të peshës së fibrës së karbonit, madhësia mbron fibrat e karbonit në një lloj të ndërmjetëm të barabartë, si një leckë e thatë dhe një prepreg, gjatë gjithë procesit (p.sh., thurje). Madhësia gjithashtu i mban fijet mono për të ulur pushin, për të përmirësuar aftësinë e përpunimit dhe për të rritur rezistencën e prerjes sipërfaqësore midis fibrave dhe përbërjes organike të matricës.

Koha e postimit: 01 nëntor 2018
Bisedë Online në WhatsApp!