1. Διαδικασία κατασκευής υλικού από ανθρακονήματα
Η διαδικασία κατασκευής ανθρακονημάτων είναι πολύπλοκη και δαπανηρή. Ακολουθεί η διαδικασία κατασκευής ανθρακονημάτων με βάση το PAN:
1. Πολυμερισμός και κλώση
- Η προετοιμασία του προδρόμου ξεκινά με μονομερές ακρυλονιτριλίου, το οποίο συνδυάζεται με πλαστικοποιημένα ακρυλικά συμμονομερή και καταλύτες (όπως ιτακονικό οξύ, διοξείδιο θειικού οξέος, θειικό οξύ ή μεθακρυλικό οξύ) στον αντιδραστήρα. Τα συστατικά αναδεύονται συνεχώς για να διασφαλιστεί το ιξώδες και η καθαρότητα και να ξεκινήσει ο σχηματισμός ελεύθερων ριζών εντός της μοριακής δομής του ακρυλονιτριλίου, παράγοντας πολυμερή μακράς αλυσίδας που μπορούν να σχηματίσουν ακρυλικές ίνες.
- Οι ίνες PAN σχηματίζονται με υγρή περιδίνηση ή ξηρή εκτόξευση/υγρή περιστροφή (μικτή διαδικασία). Η υγρή κλώση είναι η βύθιση του συμπυκνωμένου διαλύματος σε ένα λουτρό υγρής πήξης και η εξώθησή του μέσω οπών σε ένα κλωστήρα από πολύτιμα μέταλλα (οι οπές του κλωστήρα ταιριάζουν με τον απαιτούμενο αριθμό νημάτων ινών PAN). Οι ίνες υγρής περιδίνησης τραβήχτηκαν με πλύσιμο με νερό για να απομακρυνθεί η περίσσεια του πηκτικού, και στη συνέχεια ξηραίνονται και τεντώνονται για να συνεχίσουν να βελτιώνουν τον προσανατολισμό του πολυμερούς PAN. Η ξηρή εκτόξευση/υγρή περιστροφή θα έχει ένα τμήμα αέρα μεταξύ της ίνας και του λουτρού πήξης, με αποτέλεσμα ομαλές στρογγυλές ίνες PAN.
- Το τελευταίο βήμα της διαδικασίας της πρόδρομης ίνας PAN είναι η λίπανση, η οποία εμποδίζει τη ρυμούλκηση να κολλήσει μεταξύ τους πριν την περιέλιξη.
2. Οξείδωση (σταθεροποίηση)
- Η προοξείδωση είναι η μεγαλύτερη διαδικασία στη διαδικασία προετοιμασίας ανθρακονημάτων και η θερμοκρασία του φούρνου οξείδωσης κυμαίνεται από 392 βαθμούς F έως 572 βαθμούς F (200 βαθμούς έως 300 βαθμούς).
- Αυτή η διαδικασία συνδυάζει μόρια οξυγόνου από τον αέρα με την ίνα PAN και αρχίζει να διασυνδέει τις πολυμερείς αλυσίδες, γεγονός που αυξάνει την πυκνότητα της ίνας από 1,18 g/cc έως και 1,38 g/cc.
- Για να αποφευχθεί η ανεξέλεγκτη εξώθερμος των ινών PAN (η συνολική εξώθερμη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την οξείδωση εκτιμάται ότι είναι 2,000kJ/kg, γεγονός που ενέχει κίνδυνο πυρκαγιάς), οι κατασκευαστές φούρνων προοξείδωσης χρησιμοποιούν μια ποικιλία σχεδίων ροής αέρα για βοηθούν στη διάχυση της θερμότητας και στον έλεγχο της θερμοκρασίας. Ο χρόνος οξείδωσης ποικίλλει ανάλογα με τη χημική αντίδραση της πρόδρομης ίνας, συνήθως 60 έως 120 λεπτά, και κάθε γραμμή παραγωγής απαιτεί 4 έως 6 φούρνους, οι οποίοι μπορούν να στοιβάζονται για να παρέχουν δύο ζώνες θέρμανσης. Οι οξειδωμένες ίνες PAN περιέχουν περίπου 50% - 65% μόρια άνθρακα και το υπόλοιπο είναι μείγμα υδρογόνου, αζώτου και οξυγόνου.
3. Ανθρακοποίηση (απαιτείται διαδικασία γραφιτοποίησης για την προετοιμασία ινών άνθρακα υψηλού συντελεστή)
- Η αντίδραση ενανθράκωσης πραγματοποιείται σε ειδικά σχεδιασμένο κλίβανο ενανθράκωσης και απαιτεί προστασία αδρανούς (χωρίς οξυγόνο) ατμόσφαιρας.
- Ελλείψει οξυγόνου, μόνο μόρια που δεν περιέχουν άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του υδροκυανίου και άλλων πτητικών οργανικών ενώσεων (που δημιουργούνται σε συγκέντρωση 40 - 80ppm κατά τη σταθεροποίηση) και τα σωματίδια αφαιρούνται και απορρίπτονται από τον κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας και στη συνέχεια επεξεργάζεται σε περιβαλλοντικά ελεγχόμενο αποτεφρωτήρα.
- Πρέπει να εφαρμοστεί μια ορισμένη τάση τάνυσης κατά τη διαδικασία ενανθράκωσης για να βελτιστοποιηθεί η κρυστάλλωση των μορίων άνθρακα για την παραγωγή ινών άνθρακα με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 90%. Η διαφορά μεταξύ της ίνας άνθρακα και της ίνας άνθρακα υψηλού συντελεστή (επίσης γνωστή ως "ίνα γραφίτη") είναι ότι η πρώτη είναι μια ίνα απανθρακωμένη σε περίπου 1315 βαθμούς /2400 βαθμούς F με περιεκτικότητα σε άνθρακα 93% - 95%, ενώ η τελευταία είναι γραφιτισμένη σε 1900 - 2480 βαθμό (3450 - 4500 βαθμός F) και έχει περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 99%. Το σχετικά υψηλό κόστος των ινών άνθρακα υψηλού συντελεστή και εξαιρετικά υψηλού συντελεστή οφείλεται εν μέρει στη διάρκεια του χρόνου παραμονής και στη θερμοκρασία που πρέπει να επιτευχθεί στον κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας.
4. Επεξεργασία επιφάνειας και διαστασιολόγηση
- Η πρόσφυση μεταξύ της ρητίνης μήτρας και του ανθρακονήματος είναι απαραίτητη για την ενίσχυση του σύνθετου υλικού και στη διαδικασία κατασκευής ανθρακονημάτων, ο σκοπός της επιφανειακής επεξεργασίας είναι να ενισχυθεί αυτή η πρόσφυση.
2. Διαδικασία χύτευσης με κουπιά ινών άνθρακα
1. Μέθοδος καλουπώματος
- Ροή διαδικασίας: προετοιμασία υλικού → στοίβαξη → είσοδος καλουπιού → θερμή πίεση → ψύξη, ξεκαλούπωμα → επεξεργασία και χύτευση → αργότερα λείανση και στίλβωση, ψεκασμός και λείανση κ.λπ. Πριν από την είσοδο στο καλούπι, καθαρισμός καλουπιού, προθέρμανση καλουπιού και εφαρμογή παράγοντα απελευθέρωσης καλουπιού πρέπει επίσης να εκτελεστεί.
- Συγκεκριμένα βήματα
- Καθαρίστε το καλούπι: καθαρίστε τη ρητίνη και τα υπολείμματα στο καλούπι από την τελευταία χρήση και διατηρήστε το καλούπι καθαρό και λείο.
- Προθερμάνετε το καλούπι: θερμική επεξεργασία του καλουπιού.
- Εφαρμόστε παράγοντα απελευθέρωσης: εφαρμόστε μια ορισμένη ποσότητα απελευθερωτικού παράγοντα στην αυλάκωση του καλουπιού για να αποτρέψετε τη συγκόλληση του χυτευμένου προϊόντος και του καλουπιού μετά την προθέρμανση.
- Προετοιμάστε υλικά: προετοιμάστε τις πρώτες ύλες από ανθρακονήματα που πρόκειται να γίνουν προϊόντα, υπολογίστε την επιφάνεια υλικού και τον αριθμό των φύλλων πρώτων υλών.
- Στοίβαξη υλικών: στοιβάζετε τις πρώτες ύλες στρώμα-στρώμα και προπιέζετε τα στοιβαγμένα υλικά για να σχηματίσετε ένα πυκνό σώμα με κανονικό σχήμα και συγκεκριμένη ποιότητα.
- Εισάγετε το καλούπι: τοποθετήστε τις στοιβαγμένες πρώτες ύλες στο καλούπι και βάλτε έναν πλαστικό αερόσακο μέσα, κλείστε το καλούπι, βάλτε το ολόκληρο στη μηχανή κλεισίματος του καλουπιού, εφαρμόστε μια συγκεκριμένη σταθερή πίεση και θερμοκρασία στον εσωτερικό πλαστικό αερόσακο, ρυθμίστε μια σταθερή καιρός να το στερεοποιήσουμε.
- Ψύξη και ξεκαλούπωμα: ψύξτε το καλούπι που έχει πιεστεί εν θερμώ για ένα χρονικό διάστημα, στη συνέχεια ανοίξτε το καλούπι και ξεφορμάρετε.
- Επεξεργασία και χύτευση: Το προϊόν πρέπει να καθαριστεί μετά το ξεκαλούπωμα, και το υπολειμματικό πλαστικό πρέπει να αποξεσθεί με μια χαλύβδινη βούρτσα ή μια χάλκινη βούρτσα και στη συνέχεια να καθαριστεί με πεπιεσμένο αέρα. Το χυτευμένο προϊόν πρέπει να γυαλίζεται για να κάνει την επιφάνεια λεία και τακτοποιημένη.
- Χαρακτηριστικά: Κατάλληλο για μαζική παραγωγή, σταθερή ποιότητα, αλλά υψηλό κόστος παραγωγής και μεγάλη επένδυση.
2. Μέθοδος πλαστικοποίησης χειρός
- Διαδικασία λειτουργίας: Κόψτε τα φύλλα από ανθρακονήματα εμποτισμένα με κόλλα και στοιβάστε τα ή περάστε τη ρητίνη στη μία πλευρά του στρώματος και, στη συνέχεια, πιέστε τα με θερμότητα.
- Χαρακτηριστικά: Η κατεύθυνση, το μέγεθος και το πάχος της ίνας μπορούν να επιλεγούν κατά βούληση. Η μέθοδος είναι απλή και χαμηλού κόστους. Μπορεί να ολοκληρωθεί χωρίς μεγάλο μηχάνημα. Η τιμή του προϊόντος είναι χαμηλή, αλλά η ποιότητα δεν είναι σχετικά καλή όσο το προϊόν με τη διαδικασία χύτευσης.
3. Μέθοδος χύτευσης με περιέλιξη
- Πεδίο εφαρμογής: Η περιέλιξη μονονημάτων από ανθρακονήματα σε άξονες από ανθρακονήματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την κατασκευή κυλίνδρων και κοίλων δοχείων, κυρίως για την παραγωγή σωλήνων από ανθρακονήματα.
4. Μέθοδος χύτευσης με εξώθηση και έλξη
- Διαδικασία λειτουργίας: Πρώτα, διεισδύστε πλήρως τις ίνες άνθρακα, αφαιρέστε τη ρητίνη και τον αέρα με εξώθηση και τραβήξτε και, στη συνέχεια, πολυμερίστε και διαμορφώστε το στον κλίβανο.
- Χαρακτηριστικά: Απλό, κατάλληλο για την προετοιμασία ραβδοειδών και σωληνοειδών εξαρτημάτων.
