วิธีการทำคาร์บอนไฟเบอร์?

คาร์บอนไฟเบอร์ประกอบด้วยวัสดุต่างชนิดกัน (ไฟเบอร์และเรซิน) โดยความหลากหลายและความสามารถปรับแต่งได้นั้นถือเป็นหัวใจสำคัญของความสวยงามของคาร์บอนไฟเบอร์ คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุทดแทนโลหะที่มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 10 เท่า ผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ผลิตผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันแต่ไม่เหมือนกัน คาร์บอนไฟเบอร์มีค่าโมดูลัสแรงดึง (หรือความแข็งที่กำหนดโดยการเสียรูปภายใต้แรงเครียด) และความแข็งแรงแรงดึง แรงอัด และความล้าที่แตกต่างกัน

ติดต่อเรา

ปัจจุบันเส้นใยคาร์บอนที่ใช้ PAN สามารถหาได้ในระดับโมดูลัสต่ำ (น้อยกว่า 32 ล้าน lbf/in² หรือ Msi) โมดูลัสมาตรฐาน (33 ถึง 36 Msi) โมดูลัสระดับกลาง (40 ถึง 50 Msi) โมดูลัสสูง (50 ถึง 70 Msi) และโมดูลัสสูงมาก (70 ถึง 140 Msi)
หากอธิบายอย่างง่ายที่สุด คาร์บอนไฟเบอร์ถูกสร้างขึ้นโดยการย้ายเส้นใยสารตั้งต้นอินทรีย์ในบรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,800°F (982.22 °C) อย่างไรก็ตาม การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์อาจเป็นธุรกิจขั้นสูง

การเกิดพอลิเมอไรเซชันและการปั่น

การเกิดพอลิเมอไรเซชัน

กระบวนการเริ่มต้นด้วยสารประกอบเคมีที่เป็นวัตถุดิบหลักซึ่งเรียกว่าสารตั้งต้นที่มีโครงสร้างโมเลกุลของเส้นใย ปัจจุบัน เส้นใยคาร์บอนที่สร้างขึ้นประมาณ 100 เปอร์เซ็นต์นั้นทำจากผ้าหรือสารตั้งต้นที่ทำจากน้ำมันดิน อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่มาจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ซึ่งผลิตจากไนไตรต์ และไนไตรต์มาจากโพรเพนและแอมโมเนีย ซึ่งเป็นสารเคมีในอุตสาหกรรม

โดยทั่วไปสูตรสารตั้งต้นจะเริ่มต้นด้วยสารประกอบไนไตรล์ที่ผสมในเครื่องปฏิกรณ์กับโคโมโนเมอร์อะคริลิกที่ทำให้เป็นพลาสติกและตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น กรด ไดออกไซด์ น้ำมันกรดกำมะถัน หรือกรด การผสมอย่างต่อเนื่องทำให้ส่วนผสมผสมกัน ทำให้มีความสม่ำเสมอและบริสุทธิ์ และเริ่มต้นการก่อตัวของอนุมูลอิสระในโครงสร้างโมเลกุลของไนไตรต์ การปรับเปลี่ยนนี้ส่งผลให้เกิดกระบวนการทางเคมีที่ผลิตพอลิเมอร์สายยาวที่สร้างเส้นใยอะคริลิก รายละเอียดของกระบวนการทางเคมี เช่น อุณหภูมิ บรรยากาศ โคโมโนเมอร์และตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะ เป็นกรรมสิทธิ์ หลังจากซักและอบแห้ง ไนไตรต์ในรูปแบบผงจะละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น ไดเมทิลซัลไฟด์ (DMSO) ไดเมทิลอะซีตาไมด์ (DMAC) หรือไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF) หรือตัวทำละลายของเหลว เช่น เกลืออะตอม 30 คลอไรด์ และโรดามีน ตัวทำละลายอินทรีย์ช่วยหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของอนุภาคโลหะซึ่งอาจส่งผลเสียต่อเสถียรภาพทางความร้อนของอากาศในวิธีการและทำให้ประสิทธิภาพความร้อนของเส้นใยสำเร็จรูปล่าช้า ในขั้นตอนนี้ ผงและตัวทำละลายที่แขวนลอยหรือสารตั้งต้น "การเคลือบ" คือความเข้มข้นของน้ำเชื่อม การเลือกตัวทำละลายและระดับการจัดการความรุนแรงของการเคลือบ (ผ่านการกรองเชิงลึก) มีความสำคัญต่อความสำเร็จของขั้นตอนการสร้างเส้นใยต่อไป
การปั่น
เส้นใย PAN ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการปั่นแบบเปียก สารเคลือบจะถูกจุ่มลงในอ่างกระบวนการทางธรรมชาติแบบของเหลว และถูกอัดผ่านรูในเครื่องปั่นที่ผลิตจากวัสดุมีค่า ช่องทางดังกล่าวจะถูกจับคู่กับจำนวนเส้นใยที่ต้องการของเส้นใย PAN (เช่น เส้นใยคาร์บอน 12K จำนวน 12,000 รู) เส้นใยที่ปั่นแบบเปียกซึ่งมีความหนาและเปราะบางนี้จะถูกดึงผ่านลูกกลิ้งเพื่อกำจัดตัวแทนส่วนเกิน จากนั้นจึงทำให้แห้งและยืดเพื่อให้สารประกอบ PAN อยู่ในทิศทางต่อไป โดยรูปร่างและหน้าตัดภายในของเส้นใยจะถูกกำหนดโดยระดับที่ตัวทำละลายและตัวแทนที่เลือกจะแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยสารตั้งต้น ปริมาณแรงดึงที่ใช้ และการยืดตัวของเส้นใย วิธีการหลังนี้เป็นกรรมสิทธิ์ของผู้ผลิตทุกคน ทางเลือกอื่นสำหรับการปั่นแบบเปียกอาจเป็นวิธีการผสมที่เรียกว่าการพ่นแห้ง/การปั่นแบบเปียก ซึ่งใช้ช่องว่างอากาศแนวตั้งระหว่างเส้นใยและอ่างกระบวนการทางธรรมชาติ ส่งผลให้เส้นใย PAN ทรงกลมเรียบลื่นซึ่งช่วยเสริมอินเทอร์เฟซระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์โรซินภายในคอมโพสิต ขั้นตอนสุดท้ายในการสร้างเส้นใยเบื้องต้นของ PAN คือการใช้สารเคลือบเพื่อป้องกันไม่ให้เส้นใยหนืดเกาะกลุ่มกัน จากนั้นจึงทำให้เส้นใย PAN สีขาวแห้งอีกครั้งแล้วม้วนเป็นม้วน

ออกซิเดชันและคาร์บอนไนเซชัน

ออกซิเดชัน

เมื่อบรรจุแกนม้วนเส้นใยลงในตะกร้าและภายในระยะออกซิไดซ์ของการผลิตที่ยาวนานที่สุด เส้นใย PAN จะถูกป้อนผ่านเตาเผาเฉพาะชุดหนึ่ง ก่อนที่จะเข้าสู่เครื่องใช้ในครัวหลัก เส้นใย PAN จะถูกห่อหุ้มเป็นเส้นใยหรือแผ่นที่เรียกว่าเส้นยืน อุณหภูมิของห้องจะอยู่ระหว่าง 392 °F (ประมาณ 200 °C) ถึง 572 °F (300 องศาเซลเซียส)

เพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ (การปล่อยความร้อนโดยประมาณระหว่างการออกซิไดซ์ ซึ่งคำนวณได้ที่ 2,000 กิโลจูล/กิโลกรัม อันตรายจากไฟจริง) ผู้ผลิตเครื่องใช้ในครัวจึงใช้รูปแบบการไหลของอากาศที่หลากหลายเพื่อช่วยกระจายความร้อนและควบคุมอุณหภูมิ ขับเคลื่อนด้วยสารเคมีตั้งต้นชนิดหนึ่ง เวลาในการออกซิไดซ์จะแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง แต่ลิตเติ้ลประมาณการว่าเส้นใย 24K จะเปลี่ยนแปลงในอัตราประมาณ 43 ฟุตต่อ 13 เมตรต่อนาทีบนเส้นขนาดใหญ่ที่มีเตาออกซิไดซ์หลายเตา ในที่สุด เส้นใย PAN ที่เปลี่ยนแปลง (เสถียร) จะมีโมเลกุลคาร์บอนประมาณ 500 ถึง 650 โมเลกุล โดยที่เหลือเป็นก๊าซ ซึ่งเป็นส่วนผสมของเลขอะตอม 7 และ O
การเผาถ่าน
การเกิดคาร์บอนไนเซชันเกิดขึ้นระหว่างบรรยากาศเฉื่อย (ปราศจากออกซิเจน) ในเตาเผาที่ออกแบบมาเป็นพิเศษหลายชุด โดยจะเพิ่มอุณหภูมิของกระบวนการทีละขั้นตอน ที่แหล่งน้ำและทางออกของห้องแต่ละห้อง ห้องปรับปรุงจะป้องกันการแทรกซึมของ O เนื่องจากโมเลกุล O ทุกโมเลกุลที่ผ่านเครื่องใช้ในครัวจะกำจัดเส้นใยออกไปเล็กน้อย ซึ่งอาจป้องกันการสูญเสียคาร์บอนที่เกิดขึ้นจากความร้อนดังกล่าวได้ ในกรณีที่ไม่มี O เฉพาะโมเลกุลที่ไม่ใช่คาร์บอน รวมถึงสารประกอบและสารอินทรีย์ระเหยง่ายอื่นๆ (ที่คงตัวที่ระดับ 40 ถึง 80 ppm) และอนุภาค (เช่น เศษเส้นใยที่ตกตะกอนบางส่วน) เท่านั้นที่จะถูกกำจัดออกและระบายออกจากเครื่องใช้ในครัวเพื่อการบำบัดภายหลังในเตาเผาที่ควบคุมสิ่งแวดล้อม คาร์บอนไนเซชันเริ่มต้นในห้องอุณหภูมิ ถ่ายโอนเส้นใยไปที่ 1292 °F (ประมาณ 700 °C) ถึง 1472 °F (700 °C ถึง 800 °C) และสิ้นสุดในห้องความร้อนที่ 2192 °F (ประมาณ 1,200 °C) ถึง 2732 °F (ประมาณ 1,500 °C) จำนวนห้องจะถูกกำหนดโดยโมดูลัสที่จำเป็นภายในคาร์บอนไฟเบอร์ ราคาที่ค่อนข้างสูงของเส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูงและปานกลางนั้นเกิดจากความต่อเนื่องและอุณหภูมิที่เตาเผาความร้อนจะต้องบรรลุ แม้ว่าความต่อเนื่องจะเป็นกรรมสิทธิ์และเกรดของเส้นใยคาร์บอนแต่ละเกรดจะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ความต่อเนื่องของออกซิเดชันจะคำนวณเป็นชั่วโมง อย่างไรก็ตาม อัตราการคาร์บอไนเซชันจะลดลงตามลำดับความสำคัญเป็นนาที เมื่อเส้นใยเปลี่ยนสถานะแล้ว น้ำหนักและปริมาตรจะลดลง ความยาวสั้นลง 5 ถึง 100% และลดเส้นผ่านศูนย์กลาง ในความเป็นจริง ความสัมพันธ์เชิงปริมาณการแปลงของสารตั้งต้นของ PAN กับเส้นใยคาร์บอนของ PAN อยู่ที่ 2:1 และความสามารถในการเคลื่อนย้ายยังมีปริมาณน้อยกว่าคู่หนึ่ง นั่นคือ มีวัสดุเข้าสู่กระบวนการน้อยลงมาก วิธีการนี้จะรวมโมเลกุล O จากอากาศเข้ากับเส้นใย PAN ภายในเส้นยืน และเริ่มการเชื่อมโยงขวางของโซ่สารประกอบ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของเส้นใยจาก ~1.18 g / cc เป็น 1.38 g / cc

การปรับปรุงพื้นผิวและการกำหนดขนาด

การปรับปรุงพื้นผิวและการกำหนดขนาด
ขั้นตอนต่อไปมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของเส้นใย และนอกเหนือจากสารตั้งต้นแล้ว ขั้นตอนนี้ยังช่วยแยกแยะผลิตภัณฑ์ของซัพพลายเออร์รายหนึ่งออกจากผลิตภัณฑ์ของคู่แข่งได้ดีที่สุด การยึดเกาะระหว่างสารประกอบอินทรีย์เมทริกซ์และเส้นใยคาร์บอนจึงมีความจำเป็นต่อการเสริมความแข็งแรงให้กับคอมโพสิต ตลอดขั้นตอนการผลิตเส้นใยคาร์บอน จะมีการเคลือบผิวเพื่อเพิ่มการยึดเกาะนี้

ผู้ผลิตใช้วิธีการแปรรูปที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง แต่เทคนิคมาตรฐานคือการดึงเส้นใยผ่านเคมีที่เกี่ยวข้องหรือเซลล์ที่มีสาร เช่น น้ำยาฆ่าเชื้อหรือกรด วัสดุเหล่านี้พิมพ์หรือเปลี่ยนพื้นผิวของเส้นใยแต่ละเส้น ซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ว่างที่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการยึดติดเส้นใย/เมทริกซ์บนพื้นผิว และเพิ่มกลุ่มเคมีที่มีปฏิกิริยา เช่น กรดคาร์บอกซิล จากนั้นใช้สารเคลือบที่เป็นกรรมสิทธิ์อย่างยิ่งที่เรียกว่าขนาด ที่ 0.5% ถึง 5 โดยน้ำหนักของเส้นใยคาร์บอน ขนาดจะปกป้องเส้นใยคาร์บอนในรูปแบบกลางที่เกี่ยวข้อง เช่น ผ้าแห้งและพรีเพร็ก ตลอดกระบวนการและกระบวนการ (เช่น การทอ) ขนาดยังยึดเส้นใยโมโนไว้เพื่อลดขุย ปรับปรุงความสามารถในการประมวลผล และเพิ่มความแข็งแรงในการเฉือนพื้นผิวระหว่างเส้นใยและสารประกอบอินทรีย์เมทริกซ์

เวลาโพสต์: 01-11-2018