Hur man tillverkar kolfiber?

Kolfiber, som består av kombinationer av olika material (fiber och harts), deras variation och därmed anpassningsbarhet, är centrala för deras charm. Som metallersättning ger kolfiberkompositer tio gånger hållfastheten jämfört med stål. Kolfibertillverkare skapar produkter som är likartade men inte identiska. Kolfiber varierar i dragmodul (eller styvhet mätt som deformation under töjning) och drag-, tryck- och utmattningshållfasthet.

PAN-baserad kolfiber finns numera i låg modul (mindre än trettiotvå miljoner lbf/in² eller Msi), standardmodul (33 till trettiosex Msi), mellanmodul (40 till femtio Msi), högmodul (50 till sjuttio Msi) och ultrahögmodul (70 till 140 Msi).
Enklast uttryckt skapas kolfiber genom att organiska prekursorfibrer av högsta grad förskjuts i en inert atmosfär vid temperaturer högre än 982,22 °C. Tillverkning av kolfiber är dock ett avancerat företag.

kolfiber

Polymerisation och spinning

Polymerisation

Processen börjar med en kemisk blandning av råmaterial, kallad en prekursor, som har fiberns molekylära ryggrad. Idag är ungefär 100 procent av den kolfiber som produceras gjord av tyg- eller beckbaserade prekursorer, men det mesta kommer från polyakrylonitril (PAN), tillverkad av nitrit, och nitrit kommer från industrikemikalierna propan och ammoniak.

Vanligtvis börjar prekursorformuleringen med en nitrilförening av associerad grad som kombineras i en reaktor med en mjukgjord akrylsamonomer och en katalysator som syra, dioxid, olja, vitriol eller syra. Kontinuerlig blandning gör att ingredienserna kan kombineras, vilket säkerställer konsistens och renhet och initierar bildandet av fria radikaler i nitritens molekylstruktur. Denna modifiering resulterar i en kemisk process som producerar långkedjiga polymerer som bildar akrylfibrer. Detaljer om den kemiska processen, såsom temperatur, atmosfär, specifika sammonomerer och katalysatorer, är patentskyddade. Efter tvättning och torkning löses nitriten i pulverform i ett organiskt lösningsmedel av associerad grad som dimetylsulfid (DMSO), dimetylacetamid (DMAC) eller dimetylformamid (DMF), eller flytande lösningsmedel av associerad grad, såsom atomnummer 30 klorid och rodaminsalter. Organiska lösningsmedel hjälper till att undvika spår av metallpartiklar, vilket kan skada processens termiska aerofila stabilitet och fördröja den färdiga fiberns värmeprestanda. I detta skede har pulver- och lösningsmedelssuspensionen eller prekursor-"beläggningen" sirapens konsistens. Valet av lösningsmedel och därmed graden av kontroll av beläggningens grovhet (genom djupgående filtrering) är avgörande för framgången i nästa steg av fiberbildningen.
Spinning
PAN-fibrer tillverkas med en metod som kallas våtspinning. Beläggningen doppas i ett flytande naturprocessbad och extruderas genom ett hål i en spinndysa tillverkad av ädelmetall. Kanalen anpassas till det önskade antalet filament i PAN-fibern (t.ex. 12 000 hål av 12K kolfiber). Denna relativt tjocka och spröda våtspunna fiber dras genom en vals för att avlägsna överskottsmedel, torkas sedan och sträcks för att bibehålla PAN-föreningens orientering. Här bestäms filamentens form och inre tvärsnitt av i vilken utsträckning det valda lösningsmedlet och medlet penetrerar prekursorfibrerna, mängden spänning som appliceras och filamentens PC-förlängning. Det senare är patentskyddat för varje tillverkare. Ett alternativ till våtspinning kan vara en blandningsmetod som kallas torrblästring/våtspinning, som använder ett vertikalt luftgap mellan fibrerna och naturprocessbadet. Detta leder till en slät sfärisk PAN-fiber som förbättrar gränssnittet mellan fiber och matrisharmonium i kompositen. Det sista steget i bildandet av PAN-prekursorfibrer är användningen av ytbehandlingsoljor för att förhindra att viskösa filament agglomererar. De vita PAN-fibrerna torkas sedan igen och lindas på en spole.
oxidationsugn för kolfiber

Oxidation och karbonisering

Oxidation

Dessa spolar laddas i korgen, och under det längsta produktionssteget, oxidationssteget, matas PAN-fibrerna genom en serie dedikerade ugnar. Innan de kommer in i den primära köksapparaten mjukas PAN-fibrerna till en varptråd eller ett ark som kallas varp. Kammartemperaturen varierar från ca 200 °C till 300 °C.

För att undvika skenande värmeavbrott (uppskattad entalpiavbrott under oxidation, beräknad till 2 000 kJ/kilogram, vilket motsvarar den faktiska eldstadsrisken) använder tillverkare av köksapparater en spridning av luftflödestyper för att hjälpa till att avleda värme och kontrollera temperaturen. Driven av en specifik prekursorkemikalie är oxidationstiden helt annorlunda, men Littler uppskattar att 24K-tråden kommer att ändras med en hastighet av cirka 43 fot per 13 meter per minut på en överdimensionerad linje med flera oxidationsugnar. Slutligen innehåller de alternerande (stabiliserade) PAN-fibrerna från cirka 500- till cirka 65 kolmolekyler, där resten är gas, en blandning av atomnummer 7 och O.
Förkolning
Karbonisering sker under en inert (syrefri) atmosfär i en serie specialdesignade ugnar, där processtemperaturen steg för steg ökas. Vid vattenmassan och utloppet från varje kammare förhindrar förbättringskammaren O2-intrång eftersom varje O2-molekyl som passerar genom köksapparaten tar bort en del av fibrerna. Detta kan förhindra förlusten av kol som genereras vid en sådan värme. I frånvaro av O2 avlägsnas endast icke-kolmolekyler, inklusive föreningar och andra flyktiga organiska föreningar (stabiliserade vid en nivå av 40 till 80 ppm) och partiklar (såsom delvis avsatta fiberfragment) och utmatas från köksapparaten för efterbehandling i en miljökontrollerad ugn. Karboniseringen börjar i en temperaturkammare, där fibrerna överförs till 700 °C till 800 °C och slutar i en värmekammare vid 1200 °C till 1500 °C. 1500 °C). Antalet kammare bestäms av den modul som behövs i kolfibern; det jämförelsevis höga priset för hög- och överdrivet högmodulära kolfibrer beror delvis på den kontinuitet och temperatur som måste uppnås av värmeugnen. Även om kontinuiteten är patentskyddad och varje kolfiberkvalitet är helt unik, beräknas oxidationskontinuiteten i timmar, men karboniseringshastigheten minskas med en storleksordning i minuter. När fibern ändrar tillstånd minskar den vikt och volym, förkortar längden med fem till 100 % och minskar diametern. Faktum är att det kvantitativa förhållandet mellan PAN-prekursorn och PAN-kolfibern är cirka 2:1 och förskjutningsförmågan är mindre än två – det vill säga mycket mindre material kommer in i processen. Denna metod kombinerar O2-molekyler från luften med PAN-fibrer i varpen och initierar tvärbindning av föreningskedjorna. Detta ökar fiberdensiteten från ~1,18 g/cc upp till 1,38 g/cc.
kolfiberförkolning

Ytbehandling och dimensionering

Ytbehandling och dimensionering
Nästa steg är avgörande för fiberns prestanda, och utöver föregångarna är det det som bäst skiljer en leverantörs produkt från konkurrenternas produkter. Vidhäftningen mellan den organiska matrisföreningen och därmed kolfibrerna är avgörande för att förstärka kompositen; under hela kolfiberproduktionsprocessen utförs en ytbehandling för att förbättra denna vidhäftning.

Tillverkare använder helt olika behandlingsmetoder, men standardmetoden är att dra fibrerna genom en kemisk lösning eller cell som innehåller lösningen, såsom desinfektionsmedel eller syra. Dessa material trycker eller förändrar ytan på varje filament, vilket ökar ytan som är tillgänglig för bindning mellan ytfiber och matris och tillför reaktiva kemiska grupper som karboxylsyror. Därefter appliceras en mycket patentskyddad beläggning som kallas lim. Vid 0,5 till 5 viktprocent av kolfibern skyddar limmet kolfibrerna i en kemisk mellanform, såsom en torr trasa och en prepreg, under hela processen (t.ex. vävning). Limmet håller också monofilamenten samman för att minska fluff, förbättra bearbetningsförmågan och öka ytskjuvhållfastheten mellan fibrerna och matrisens organiska förening.

Publiceringstid: 1 november 2018
WhatsApp onlinechatt!