Làm thế nào để tạo ra sợi carbon?

Sợi carbon, bao gồm các tổ hợp vật liệu không giống nhau (sợi và nhựa), tính biến đổi của chúng, và do đó, khả năng tùy chỉnh, là yếu tố chính tạo nên sức hấp dẫn của chúng. Là vật liệu thay thế kim loại, vật liệu composite sợi carbon có độ bền gấp mười lần thép. Các nhà sản xuất sợi carbon tạo ra sản phẩm có độ bền tương tự nhưng không giống hệt nhau. Sợi carbon thay đổi về mô đun kéo (hoặc độ cứng được xác định là biến dạng dưới ứng suất) và độ bền kéo, nén và mỏi

Ngày nay, sợi carbon gốc PAN có thể đạt được ở mô đun thấp (dưới 32 triệu lbf/in² hoặc Msi), mô đun thông thường (33 đến 36 Msi), mô đun trung gian (40 đến 50 Msi), mô đun cao (50 đến 70 Msi) và mô đun cực cao (70 đến 140 Msi).
Nói một cách đơn giản nhất, sợi carbon được tạo ra bằng cách chuyển sợi tiền chất hữu cơ liên kết trong môi trường trơ ​​ở nhiệt độ cao hơn 1800°F (982,22 °C). Tuy nhiên, sản xuất sợi carbon có thể là một hoạt động tiên tiến.

sợi carbon

Trùng hợp và kéo sợi

Trùng hợp

Quá trình này bắt đầu bằng một hợp chất hóa học được gọi là tiền chất có xương sống phân tử của sợi. Ngày nay, khoảng 100 phần trăm sợi carbon được tạo ra được tạo ra từ vải hoặc tiền chất gốc nhựa đường, tuy nhiên phần lớn đến từ polyacrylonitrile (PAN), được sản xuất từ ​​nitrit, và nitrit đến từ các hóa chất công nghiệp propan và amoniac.

Thông thường, công thức tiền chất bắt đầu bằng hợp chất nitrit cấp độ liên kết được kết hợp trong một lò phản ứng rất mạnh với monome đồng acrylic dẻo hóa và chất xúc tác như axit, dioxit, dầu vitriol hoặc axit. Việc kết hợp liên tục cho phép các thành phần kết hợp, tạo ra độ đồng nhất và độ tinh khiết nhất định, và bắt đầu hình thành các gốc tự do trong cấu trúc phân tử của nitrit. Sự biến đổi này dẫn đến quá trình hóa học, tạo ra các polyme chuỗi dài tạo thành sợi acrylic. Chi tiết về quá trình hóa học, như nhiệt độ, khí quyển, monome đồng cụ thể và chất xúc tác, là độc quyền. Sau khi giặt và sấy, nitrit ở dạng bột được hòa tan trong dung môi hữu cơ cấp độ liên kết như diethyl sulfide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC) hoặc dimethylformamide (DMF), hoặc dung môi lỏng cấp độ liên kết, như clorua nguyên tử số 30 và muối rhodamine. Dung môi hữu cơ giúp tránh nhiễm bẩn các hạt kim loại vết, có thể gây hại cho độ ổn định khí nhiệt của phương pháp và làm chậm hiệu suất nhiệt của sợi thành phẩm. Ở giai đoạn này, bột và dung môi huyền phù hoặc tiền chất “lớp phủ” là độ đặc của xi-rô. Việc lựa chọn dung môi và do đó mức độ quản lý độ độc hại của lớp phủ (thông qua quá trình lọc sâu) là yếu tố quan trọng đối với sự thành công của giai đoạn tiếp theo của quá trình hình thành sợi.
Quay
Sợi PAN được tạo hình vuông bằng phương pháp gọi là kéo sợi ướt. Lớp phủ được nhúng trong bồn quy trình tự nhiên lỏng và đùn qua một lỗ trong ống kéo sợi được sản xuất từ ​​vật liệu quý. Đường đi được khớp với số lượng sợi cần thiết của sợi PAN (ví dụ: 12.000 lỗ sợi carbon 12K). Sợi kéo ướt tương đối dày và giòn này được kéo qua một con lăn để loại bỏ tác nhân dư thừa, sau đó được sấy khô và kéo căng để tiếp tục định hướng hợp chất PAN. Ở đây, hình dạng và mặt cắt ngang bên trong của sợi được xác định bởi mức độ dung môi và tác nhân đã chọn thâm nhập vào các sợi tiền chất, lượng lực căng được áp dụng và độ giãn dài của sợi. Độ giãn dài sau là độc quyền của mỗi nhà sản xuất. Một phương án thay thế cho kéo sợi ướt có thể là phương pháp kết hợp được gọi là phun khô/kéo sợi ướt, sử dụng khe hở không khí thẳng đứng giữa các sợi và bồn quy trình tự nhiên. Điều này dẫn đến sợi PAN hình cầu bóng mượt giúp tăng cường giao diện sợi/ma trận nhựa thông trong vật liệu composite. Bước cuối cùng trong quá trình hình thành sợi tiền thân PAN là sử dụng dầu hoàn thiện để ngăn các sợi nhớt kết tụ. Các sợi PAN trắng sau đó được sấy khô một lần nữa và quấn vào một ống chỉ.
lò oxy hóa sợi carbon

Quá trình oxy hóa và cacbon hóa

Sự oxy hóa

Những ống chỉ này được đưa vào giỏ, và trong giai đoạn sản xuất, oxy hóa lâu nhất, sợi PAN được đưa qua một loạt các lò chuyên dụng. Trước khi đi vào thiết bị nhà bếp chính, các sợi PAN được làm mềm thành một sợi hoặc tấm được gọi là sợi dọc. Nhiệt độ buồng dao động từ 392 °F (khoảng 200 °C) đến 572 °F (300 độ C).

Để tránh tình trạng giải phóng nhiệt mất kiểm soát (giải phóng enthalpy ước tính trong suốt quá trình oxy hóa, có thể tính toán ở mức 2.000 kJ/kg, di chuyển Nguy cơ cháy thực sự), các nhà sản xuất thiết bị nhà bếp sử dụng một loạt các kiểu luồng không khí để hỗ trợ tản nhiệt và kiểm soát nhiệt độ. Được thúc đẩy bởi một loại hóa chất tiền thân cụ thể, thời gian oxy hóa hoàn toàn khác nhau, tuy nhiên Littler ước tính rằng sợi 24K sẽ được thay đổi với tốc độ khoảng bốn mươi ba feet trên mười ba mét mỗi phút trên một đường dây quá khổ với nhiều lò oxy hóa. Cuối cùng, sợi PAN thay đổi (ổn định) chứa từ khoảng năm trăm đến sáu mươi lăm phân tử carbon với phần còn lại là khí, hỗn hợp của nguyên tử số 7 và O.
Cacbon hóa
Quá trình cacbon hóa diễn ra trong bầu khí trơ (không có oxy) trong một loạt các lò được thiết kế đặc biệt, từng bước tăng nhiệt độ quy trình. Tại khối nước và đầu ra của mỗi buồng, buồng cải tiến ngăn chặn sự xâm nhập của O do mỗi phân tử O đi qua thiết bị nhà bếp sẽ loại bỏ một ít sợi. Điều này có thể ngăn ngừa sự mất carbon được tạo ra ở nhiệt độ như vậy. Trong trường hợp không có O, chỉ các phân tử không phải carbon, cùng với hợp chất và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác (ổn định ở mức độ từ bốn mươi đến tám mươi ppm) và các hạt (chẳng hạn như các mảnh sợi lắng đọng một phần) được loại bỏ và Xả ra khỏi thiết bị nhà bếp để xử lý sau trong lò được kiểm soát môi trường. Quá trình cacbon hóa bắt đầu trong buồng nhiệt độ, chuyển sợi đến 1292 °F (khoảng 700 °C) đến 1472 °F (700 °C đến 800 °C) và kết thúc trong buồng nhiệt ở 2192 °F (khoảng 1.200 °C) đến 2732 °F (khoảng 1.500 °C). 1500 °C). Số lượng buồng được quyết định bởi mô đun cần thiết trong sợi carbon; giá tương đối cao của sợi carbon mô đun cao và quá cao một phần là do tính liên tục và nhiệt độ phải đạt được bằng lò nhiệt. mặc dù tính liên tục là độc quyền và mỗi loại sợi carbon đều hoàn toàn khác nhau, tính liên tục của quá trình oxy hóa được tính bằng giờ, tuy nhiên tốc độ cacbon hóa giảm đi một cấp độ tính bằng phút. Khi sợi thay đổi trạng thái, nó sẽ giảm trọng lượng và thể tích, rút ​​ngắn chiều dài từ năm đến 100% và giảm đường kính. Trên thực tế, mối quan hệ định lượng chuyển đổi của tiền chất PAN với sợi carbon PAN liên quan đến 2:1 và khả năng dịch chuyển cũng nhỏ hơn một cặp — nghĩa là, ít vật liệu hơn đi vào phương pháp. Phương pháp này kết hợp các phân tử O từ không khí với các sợi PAN bên trong sợi dọc và bắt đầu liên kết chéo các chuỗi hợp chất. Điều này sẽ làm tăng mật độ sợi từ ~1,18 g / cc lên đến 1,38 g / cc.
sợi carbon Carbon hóa

Xử lý bề mặt và định cỡ

Xử lý bề mặt và định cỡ
Bước tiếp theo là thiết yếu đối với hiệu suất sợi, và ngoài các tiền chất, nó phân biệt tốt nhất sản phẩm của một nhà cung cấp với sản phẩm của đối thủ cạnh tranh. Độ bám dính giữa hợp chất hữu cơ nền và do đó các sợi carbon là thiết yếu để gia cố vật liệu composite; trong suốt quá trình sản xuất sợi carbon, một quá trình xử lý bề mặt được thực hiện để tăng cường độ bám dính này.

Các nhà sản xuất sử dụng các phương pháp xử lý hoàn toàn khác nhau, tuy nhiên kỹ thuật tiêu chuẩn là kéo sợi qua hóa chất liên kết hoặc tế bào chứa dung dịch, như chất khử trùng hoặc axit. Các vật liệu này in hoặc thay đổi bề mặt của từng sợi, điều này sẽ làm tăng khoảng không có thể tiếp cận để liên kết sợi bề mặt/ma trận và thêm các nhóm hóa chất phản ứng như axit cacboxylic. Tiếp theo, áp dụng một lớp phủ cực kỳ độc quyền được gọi là kích thước. Ở mức 0,5% đến năm theo trọng lượng của sợi carbon, kích thước bảo vệ sợi carbon thành loại trung gian liên kết, như vải khô và prepreg, trong suốt quá trình và quy trình (ví dụ: dệt). Kích thước cũng giữ các sợi đơn dọc theo để cắt bớt xơ, cải thiện khả năng xử lý và tăng cường độ cắt bề mặt giữa các sợi và do đó là hợp chất hữu cơ của ma trận.

Thời gian đăng: 01-11-2018
Trò chuyện trực tuyến trên WhatsApp!