Weihai Snowwing Outdoor Equipment., Ltd.
Kvaliteta je duša poduzeća

Kako se izrađuju ugljična vlakna?

Kako se izrađuju ugljična vlakna?

Proizvodnja, upotreba i budućnost ovog snažnog, laganog materijala

Također se nazivaju grafitna vlakna ili ugljični grafit, ugljična vlakna se sastoje od vrlo tankih niti elementa ugljika. Ova vlakna imaju veliku vlačnu čvrstoću i iznimno su jaka za svoju veličinu. Zapravo, jedan oblik ugljičnih vlakana – ugljična nanocijev – smatra se najjačim dostupnim materijalom. Primjene ugljičnih vlakana uključuju građevinarstvo, inženjering, zrakoplovstvo, vozila visokih performansi, sportsku opremu i glazbene instrumente. U području energetike, ugljična vlakna koriste se u proizvodnji lopatica vjetrenjača, skladišta prirodnog plina i gorivnih ćelija za transport. U zrakoplovnoj industriji ima primjenu u vojnim i komercijalnim zrakoplovima, kao i u bespilotnim letjelicama. Za istraživanje nafte, koristi se u proizvodnji platformi i cijevi za dubokovodno bušenje.

Brze činjenice: statistika ugljičnih vlakana

  • Svaki lanac karbonskih vlakana ima promjer od pet do 10 mikrona. Da biste dobili osjećaj koliko je to malo, jedan mikron (um) je 0,000039 inča. Jedna niti svile od paukove mreže obično je između tri do osam mikrona.
  • Ugljična vlakna su dva puta čvršća od čelika i pet puta čvršća od čelika (po jedinici težine). Također su vrlo kemijski otporni i imaju toleranciju na visoke temperature s niskim toplinskim širenjem.

Sirovine
Ugljična vlakna izrađena su od organskih polimera, koji se sastoje od dugih nizova molekula koje zajedno drže atomi ugljika. Većina ugljičnih vlakana (oko 90%) izrađena je od poliakrilonitrilnog (PAN) procesa. Mala količina (oko 10%) proizvedena je od rajona ili postupkom naftnog smola.

Plinovi, tekućine i drugi materijali koji se koriste u proizvodnom procesu stvaraju specifične učinke, kvalitete i stupnjeve karbonskih vlakana. Proizvođači ugljičnih vlakana koriste vlasničke formule i kombinacije sirovina za materijale koje proizvode i općenito te specifične formulacije tretiraju kao poslovnu tajnu.

Ugljična vlakna najviše kvalitete s najučinkovitijim svojstvima modula (konstanta ili koeficijent koji se koristi za izražavanje numeričkog stupnja u kojem tvar posjeduje određeno svojstvo, kao što je elastičnost) koriste se u zahtjevnim aplikacijama kao što je zrakoplovstvo.

Proizvodni proces
Stvaranje ugljičnih vlakana uključuje i kemijske i mehaničke procese. Sirovine, poznate kao prekursori, uvlače se u duge niti, a zatim se zagrijavaju na visoke temperature u anaerobnom okruženju (bez kisika). Umjesto da gori, ekstremna toplina uzrokuje da atomi vlakana vibriraju tako snažno da se izbacuju gotovo svi neugljični atomi.

Nakon što je proces karbonizacije dovršen, preostalo vlakno se sastoji od dugih, čvrsto povezanih lanaca atoma ugljika s nekoliko preostalih neugljikovih atoma ili bez njih. Ta se vlakna naknadno utkaju u tkaninu ili kombiniraju s drugim materijalima koji se zatim namotaju ili oblikuju u željene oblike i veličine.

Sljedećih pet segmenata tipično je u PAN procesu za proizvodnju ugljičnih vlakana:

  • Predenje. PAN se miješa s ostalim sastojcima i vrti u vlakna, koja se zatim isperu i razvlače.
  • Stabilizirajući. Vlakna se podvrgavaju kemijskoj izmjeni kako bi se stabilizirala veza.
  • Karboniziranje. Stabilizirana vlakna se zagrijavaju na vrlo visoku temperaturu tvoreći čvrsto povezane kristale ugljika.
  • Tretiranje površine. Površina vlakana se oksidira kako bi se poboljšala svojstva vezivanja.
  • Dimenzioniranje. Vlakna su obložena i namotana na bobine, koje se utovaruju na strojeve za predenje koji uvijaju vlakna u pređu različite veličine. Umjesto da se tkaju u tkanine, vlakna se također mogu oblikovati u kompozitne materijale, korištenjem topline, pritiska ili vakuuma kako bi se vlakna vezala zajedno s plastičnim polimerom.

Ugljične nanocijevi se proizvode drugačijim postupkom od standardnih ugljičnih vlakana. Procjenjuje se da su 20 puta jače od svojih prethodnika, nanocijevi se kovaju u pećima koje koriste lasere za isparavanje čestica ugljika.

Izazovi u proizvodnji
Proizvodnja karbonskih vlakana nosi niz izazova, uključujući:

  • Potreba za isplativijim oporavkom i popravkom
  • Neodrživi troškovi proizvodnje za neke primjene: Na primjer, iako je nova tehnologija u razvoju, zbog previsokih troškova, upotreba ugljičnih vlakana u automobilskoj industriji trenutno je ograničena na visokoučinkovita i luksuzna vozila.
  • Proces površinske obrade mora biti pažljivo reguliran kako bi se izbjeglo stvaranje udubljenja koje rezultiraju neispravnim vlaknima.
  • Potrebna je stroga kontrola kako bi se osigurala dosljedna kvaliteta
  • Zdravstveni i sigurnosni problemi, uključujući iritaciju kože i disanja
  • Luk i kratki spojevi u električnoj opremi zbog jake elektrovodljivosti ugljičnih vlakana

Budućnost karbonskih vlakana
Kako se tehnologija karbonskih vlakana nastavlja razvijati, mogućnosti za ugljična vlakna će se samo diverzificirati i povećavati. Na Massachusetts Institute of Technology, nekoliko studija koje se fokusiraju na ugljična vlakna već pokazuju mnogo obećanja za stvaranje nove proizvodne tehnologije i dizajna kako bi se zadovoljila potražnja industrije u nastajanju.

Izvanredni profesor strojarstva MIT-a John Hart, pionir nanocijevi, radio je sa svojim studentima na transformaciji tehnologije za proizvodnju, uključujući traženje novih materijala koji će se koristiti u kombinaciji s komercijalnim 3D pisačima. “Zamolio sam ih da razmišljaju potpuno izvan tračnica; kad bi mogli osmisliti 3-D pisač koji nikada prije nije napravljen ili koristan materijal koji se ne može ispisati pomoću trenutnih pisača”, objasnio je Hart.

Rezultati su bili prototipni strojevi koji su tiskali rastaljeno staklo, meki sladoled i kompozite od ugljičnih vlakana. Prema Hartu, studentski timovi također su stvorili strojeve koji su mogli nositi "paralelno istiskivanje polimera velikih površina" i izvoditi "in situ optičko skeniranje" procesa ispisa.

Dodatno, Hart je radio s izvanrednim profesorom kemije MIT-a Mirceom Dincom na nedavno završenoj trogodišnjoj suradnji s Automobili Lamborghinijem kako bi se istražile mogućnosti novih karbonskih vlakana i kompozitnih materijala koji bi jednog dana mogli ne samo "omogućiti da kompletna karoserija automobila bude koristi se kao sustav baterija", ali dovode do "lakših, jačih karoserija, učinkovitijih katalitičkih pretvarača, tanje boje i poboljšanog prijenosa topline pogonskog sklopa [ukupno]."

S takvim zadivljujućim otkrićima na horizontu, nije ni čudo da se predviđa da će tržište karbonskih vlakana porasti s 4,7 milijardi USD u 2019. na 13,3 milijarde USD do 2029., uz ukupnu godišnju stopu rasta (CAGR) od 11,0% (ili nešto više) u odnosu na isti vremenski period.

Izvori

  • McConnell, Vicki. "Izrada ugljičnih vlakana." CompositeWorld. 19. prosinca 2008
  • Sherman, Don. “Izvan ugljičnih vlakana: Sljedeći probojni materijal je 20 puta jači.” Auto i Vozač. 18. ožujka 2015
  • Randall, Danielle. “Istraživači MIT-a surađuju s Lamborghinijem kako bi razvili električni automobil budućnosti.” MITMECHE/U vijestima: Kemijski odsjek. 16. studenog 2017
  • „Tržište ugljičnih vlakana prema sirovinama (PAN, pitch, rayon), vrsti vlakana (djevičanski, reciklirani), vrsti proizvoda, modulu, primjeni (kompozitni, nekompozitni), industriji krajnje upotrebe (A & D, automobilskoj industriji, energiji vjetra ), i Regija – globalna prognoza do 2029. MarketsandMarkets™. rujna 2019

Vrijeme objave: 28. srpnja 2021