ЯК ВИГОТОВИТИ ВУГЛЕЦЕВЕ ВОЛОКНО?

Вуглецеве волокно, що складається з комбінацій різнорідних матеріалів (волокна та смоли), його різноманітність, а отже, і можливість адаптації до різних моделей, є ключовими факторами його привабливості. Як замінник металу, вуглецеві композити забезпечують вдесятеро більшу міцність, ніж сталь. Виробники вуглецевого волокна створюють продукти, які є подібними, але не ідентичними. Вуглецеве волокно відрізняється модулем розтягу (або жорсткістю, що визначається як деформація під напругою), а також міцністю на розтяг, стиск та втому.

Зв'яжіться з нами

Вуглецеве волокно на основі PAN сьогодні доступне з низьким модулем пружності (менше тридцяти двох мільйонів фунтів/дюйм² або Msi), звичайним модулем (від 33 до 36 Msi), середнім модулем (від 40 до 50 Msi), високим модулем (від 50 до 70 Msi) та надвисоким модулем (від 70 до 140 Msi).
Найпростіше кажучи, вуглецеве волокно створюється шляхом переміщення органічного волокна-попередника асоційованого ступеня в інертну атмосферу асоційованого ступеня за температур вище 1800°F (982,22 °C). Однак виробництво вуглецевого волокна може бути передовим підприємством.

Полімеризація та спінінг

Полімеризація

Процес починається з хімічної складної сировини, яку називають прекурсором, що має молекулярний каркас волокна. Сьогодні близько 100 відсотків вуглецевого волокна виготовляється з тканинних або смоляних прекурсорів, проте більша його частина походить з поліакрилонітрилу (ПАН), виготовленого з нітриту, а нітрит отримують з промислових хімікатів пропану та аміаку.

Зазвичай, рецептура прекурсора починається з нітрильної сполуки асоційованого ступеня, яка змішується в реакторі з пластифікованим акриловим сомономером та каталізатором, таким як кислота, діоксид, купорос або кислота. Безперервне змішування дозволяє інгредієнтам з'єднуватися, забезпечуючи певну консистенцію та чистоту, а також ініціюючи утворення вільних радикалів у молекулярній структурі нітриту. Ця модифікація призводить до хімічного процесу, який утворює довголанцюгові полімери, що формують акрилові волокна. Деталі хімічного процесу, такі як температура, атмосфера, конкретні сомономери та каталізатори, є власними. Після прання та сушіння нітрит у порошкоподібній формі розчиняють у органічному розчиннику асоційованого ступеня, такому як диметилсульфід (ДМСО), диметилацетамід (ДМАХ) або диметилформамід (ДМФ), або в рідкому розчиннику асоційованого ступеня, такому як хлорид з атомним номером 30 та солі родаміну. Органічні розчинники допомагають уникнути забруднення слідами металевих частинок, які можуть пошкодити термоаерофільну стабільність процесу та уповільнити термообробку готового волокна. На цьому етапі суспензія порошку та розчинника або "покриття" прекурсора має консистенцію сиропу. Вибір розчинника та, відповідно, ступінь контролю жорсткості покриття (завдяки глибокій фільтрації) є життєво важливим для успіху наступного етапу формування волокна.
Спінінг
Волокна PAN виготовляються методом, який називається мокрим прядінням. Покриття занурюється в рідку ванну з природним процесом та екструдується через отвір у фільєрі, виготовленій з цінних матеріалів. Прохід підбирається відповідно до необхідної кількості ниток волокна PAN (наприклад, 12 000 отворів у вуглецевому волокні 12K). Це порівняно товсте та крихке волокно мокрого прядіння протягується через валик для видалення надлишку агента, потім сушиться та розтягується для збереження орієнтації складу PAN. Тут форма та внутрішній поперечний переріз ниток визначаються ступенем проникнення вибраного розчинника та агента у волокна-попередники, величиною прикладеного натягу та видовженням ниток. Останнє є власністю кожного виробника. Альтернативою мокрому прядінню може бути змішаний метод, який називається сухим дробоструминним/мокрим прядінням, який використовує вертикальний повітряний зазор між волокнами та ванною з природним процесом. Це призводить до утворення гладкого сферичного волокна PAN, яке покращує межу між волокном та матричним каніфолем у композиті. Заключним етапом формування волокон-попередників PAN є використання оздоблювальних масел для запобігання агломерації в'язких ниток. Потім білі волокна PAN знову сушать та намотують на котушку.

Окислення та карбонізація

Окислення

Ці котушки завантажуються в кошик, і протягом найдовшого етапу виробництва, окислення, волокна PAN проходять через серію спеціальних печей. Перш ніж потрапити в основний кухонний прилад, волокна PAN згортаються в джгут або лист, який називається основою. Температура в камері коливається від 392 °F (близько 200 °C) до 572 °F (300 градусів Цельсія).

Щоб уникнути неконтрольованого вивільнення тепла (орієнтованої ентальпії вивільнення під час окислення, яка обчислюється на рівні 2000 кДж/кілограм, що відповідає справжній небезпеці камінів), виробники кухонної техніки використовують розподіл потоків повітря для розсіювання тепла та контролю температури. Завдяки певному хімічному прекурсору час окислення різний, але Літтлер оцінює, що волокно 24K буде змінюватися зі швидкістю приблизно 43 фути на 13 метрів за хвилину на великій лінії з кількома окислювальними печами. Зрештою, альтеровані (стабілізовані) волокна PAN містять від приблизно 500 до приблизно 65 молекул вуглецю, а решту становить газ, суміш атомного номера 7 та O.
Карбонізація
Карбонізація відбувається в інертній (безкисневій) атмосфері в серії спеціально розроблених печей, поступово підвищуючи температуру процесу. У водоймі та на виході з кожної камери камера покращення запобігає проникненню O, оскільки кожна молекула O, що проходить через прилад, видаляє частину волокон. Це може запобігти втраті вуглецю, що утворюється при такому нагріванні. За відсутності O видаляються лише невуглецеві молекули, включаючи сполуки та інші леткі органічні сполуки (стабілізовані на рівні від 40 до 80 ppm) та тверді частинки (такі як частково осаджені фрагменти волокон), та вивантажуються з приладу для подальшої обробки в печі з контрольованим кліматом. Карбонізація починається в температурній камері, переміщуючи волокна до 700 °C - 800 °C та закінчується в термокамері при 1200 °C - 1500 °C. 1500 °C). Кількість камер визначається модулем, необхідним для вуглецевого волокна; порівняно висока ціна високо- та надвисокомодульних вуглецевих волокон частково зумовлена міцністю та температурою, яких має досягти термічна піч. Хоча міцність є запатентованою, і кожен сорт вуглецевого волокна повністю відрізняється, тривалість окислення вимірюється в годинах, проте швидкість карбонізації зменшується на порядок у хвилинах. Після зміни стану волокна воно зменшує вагу та об'єм, скорочує довжину на 5-100% та зменшує діаметр. Фактично, кількісне співвідношення перетворення попередника PAN у вуглецеве волокно PAN становить приблизно 2:1, а здатність до витіснення менша, ніж у пари, тобто в процес потрапляє набагато менше матеріалу. Цей метод поєднує молекули O з повітря з волокнами PAN в основі та ініціює зшивання складних ланцюгів. Це збільшує щільність волокна з ~1,18 г/куб.см до 1,38 г/куб.см.

Обробка поверхні та калібрування

Обробка поверхні та калібрування
Наступний крок є важливим для характеристик волокна, і, крім прекурсорів, він найкраще відрізняє продукт одного постачальника від продукту конкурентів. Адгезія між матричною органічною сполукою та, отже, вуглецевими волокнами є важливою для армування композиту; протягом усього процесу виробництва вуглецевого волокна виконується обробка поверхні для посилення цієї адгезії.

Час публікації: 01 листопада 2018 р.

Як зробити вуглецеве волокно?

ЯК ВИГОТОВИТИ ВУГЛЕЦЕВЕ ВОЛОКНО?

Полімеризація та спінінг

Окислення та карбонізація

Обробка поверхні та калібрування