1. Productieproces van koolstofvezelmateriaal
Het productieproces van koolstofvezels is complex en duur. Het volgende is het op PAN gebaseerde productieproces voor koolstofvezels:
1. Polymerisatie en spinnen
- De bereiding van de precursor begint met acrylonitrilmonomeer, dat in de reactor wordt gecombineerd met geplastificeerde acrylcomonomeren en katalysatoren (zoals itaconzuur, zwavelzuurdioxide, zwavelzuur of methacrylzuur). De ingrediënten worden continu geroerd om de viscositeit en zuiverheid te garanderen en om de vorming van vrije radicalen binnen de moleculaire structuur van acrylonitril te initiëren, waardoor polymeren met lange ketens worden geproduceerd die acrylvezels kunnen vormen.
- PAN-vezels worden gevormd door natspinnen of droogstraal/natspinnen (gemengd proces). Bij nat spinnen wordt de geconcentreerde oplossing ondergedompeld in een vloeibaar coagulatiebad en geëxtrudeerd door gaten in een spindop gemaakt van edele metalen (de gaten in de spindop komen overeen met het vereiste aantal filamenten van PAN-vezels). De natgesponnen vezels worden getrokken door wassen met water om overtollig coagulatiemiddel te verwijderen, en vervolgens gedroogd en uitgerekt om de oriëntatie van het PAN-polymeer verder te verbeteren; Bij droogstraal/nat spinnen is er een luchtsegment tussen de vezel en het coagulatiebad, wat resulteert in gladde ronde PAN-vezels.
- De laatste stap van het PAN-precursorvezelproces is oliën, waardoor wordt voorkomen dat de kabel aan elkaar blijft plakken voordat deze wordt opgerold.
2. Oxidatie (stabilisatie)
- Pre-oxidatie is het langste proces in het koolstofvezelbereidingsproces en de temperatuur van de oxidatieoven varieert van 392 graden F tot 572 graden F (200 graden tot 300 graden).
- Dit proces combineert zuurstofmoleculen uit de lucht met de PAN-vezel en begint de polymeerketens te verknopen, waardoor de vezeldichtheid toeneemt van 1,18 g/cc tot wel 1,38 g/cc.
- Om ongecontroleerde exothermiciteit van PAN-vezels te voorkomen (de totale exotherme energie die vrijkomt tijdens oxidatie wordt geschat op 2,{2}}kJ/kg, wat brandgevaar oplevert), gebruiken fabrikanten van pre-oxidatieovens verschillende luchtstroomontwerpen om helpen warmte af te voeren en de temperatuur onder controle te houden. De oxidatietijd varieert afhankelijk van de chemische reactie van de precursorvezel, gewoonlijk 60 tot 120 minuten, en elke productielijn heeft 4 tot 6 ovens nodig, die kunnen worden gestapeld om twee verwarmingszones te creëren. Geoxideerde PAN-vezels bevatten ongeveer 50% - 65% koolstofmoleculen, en de rest is een mengsel van waterstof, stikstof en zuurstof.
3. Carbonisatie (grafitisatieproces is vereist om koolstofvezels met hoge modulus te bereiden)
- De carbonisatiereactie wordt uitgevoerd in een speciaal ontworpen carbonisatieoven en vereist bescherming in een inerte (zuurstofvrije) atmosfeer.
- Bij afwezigheid van zuurstof worden alleen niet-koolstofmoleculen, waaronder waterstofcyanide en andere VOC's (gegenereerd in een concentratie van 40 - 80ppm tijdens stabilisatie) en deeltjes verwijderd en uit de hogetemperatuuroven afgevoerd, en vervolgens na- verwerkt in een milieugecontroleerde verbrandingsinstallatie.
- Tijdens het carbonisatieproces moet een bepaalde rekspanning worden uitgeoefend om de kristallisatie van koolstofmoleculen te optimaliseren om koolstofvezels te produceren met een koolstofgehalte van meer dan 90%. Het verschil tussen koolstofvezel en koolstofvezel met hoge modulus (ook bekend als "grafietvezel") is dat de eerste een vezel is die verkoold is bij ongeveer 1315 graden /2400 graden F met een koolstofgehalte van 93% - 95%, terwijl de laatste is gegrafitiseerd bij 1900 - 2480 graad (3450 - 4500 graad F) en heeft een koolstofgehalte van meer dan 99%. De relatief hoge kosten van koolstofvezels met hoge modulus en ultrahoge modulus zijn gedeeltelijk te wijten aan de verblijftijd en de temperatuur die in de hogetemperatuuroven moet worden bereikt.
4. Oppervlaktebehandeling en maatvoering
- De hechting tussen de matrixhars en de koolstofvezel is essentieel voor het versterken van het composietmateriaal, en tijdens het productieproces van koolstofvezel is het doel van de oppervlaktebehandeling om deze hechting te verbeteren.
2. Vormproces van koolstofvezelpeddels
1. Vormmethode
- Processtroom: materiaalvoorbereiding → stapelen → matrijsinvoer → warmpersen → koelen, ontvormen → verwerken en gieten → later slijpen en polijsten, spuiten en slijpen, enz. Voordat u de matrijs binnengaat, matrijsreiniging, matrijsvoorverwarmen en aanbrengen van losmiddel moet ook worden uitgevoerd.
- Specifieke stappen
- Reinig de mal: reinig de resterende hars en het vuil in de mal van het laatste gebruik en houd de mal schoon en glad.
- Verwarm de vorm voor: behandel de vorm met warmte.
- Losmiddel aanbrengen: breng een bepaalde hoeveelheid lossingsmiddel aan in de groef van de mal om te voorkomen dat het vormproduct en de mal na het voorverwarmen aan elkaar blijven plakken.
- Materialen voorbereiden: bereid de grondstoffen van koolstofvezel voor die tot producten moeten worden verwerkt, bereken het materiaaloppervlak en het aantal vellen grondstoffen.
- Stapelmaterialen: stapel de grondstoffen laag voor laag en pers de gestapelde materialen vooraf om een dicht lichaam te vormen met een regelmatige vorm en een bepaalde kwaliteit.
- Ga de mal binnen: plaats de gestapelde grondstoffen in de mal en plaats een plastic airbag erin, sluit de mal, plaats het geheel in de malsluitmachine, pas een bepaalde constante druk en temperatuur toe op de interne plastic airbag, stel een constante in tijd om het te verstevigen.
- Koelen en uit de vorm halen: koel de mal die een tijdje heet is geperst, open vervolgens de mal en haal hem uit de mal.
- Verwerking en gieten: Het product moet na het ontvormen worden gereinigd en het resterende plastic moet worden afgeschraapt met een staalborstel of een koperborstel en vervolgens worden schoongeblazen met perslucht. Het gegoten product moet worden gepolijst om het oppervlak glad en netjes te maken.
- Kenmerken: Geschikt voor massaproductie, stabiele kwaliteit, maar hoge productiekosten en grote investeringen.
2. Lamineringsmethode met handlay-up
- Werkproces: Snijd de koolstofvezelplaten geïmpregneerd met lijm en stapel ze, of borstel de hars aan één kant van de laag en druk ze vervolgens met hitte.
- Kenmerken: De richting, grootte en dikte van de vezel kunnen naar wens worden geselecteerd. De methode is eenvoudig en goedkoop. Het kan worden voltooid zonder een grote machine. De productprijs is laag, maar de kwaliteit is relatief niet zo goed als het product met een gietproces.
3. Wikkelvormmethode
- Toepassingsgebied: Het wikkelen van koolstofvezelmonofilamenten op koolstofvezelschachten is bijzonder geschikt voor het maken van cilinders en holle vaten, voornamelijk voor de productie van koolstofvezelbuizen.
4. Extrusie- en tekenvormmethode
- Werkingsproces: infiltreer eerst de koolstofvezel volledig, verwijder de hars en lucht door extrusie en trekken, en laat het vervolgens uitharden en vormgeven in de oven.
- Kenmerken: Eenvoudig, geschikt voor het voorbereiden van staafvormige en buisvormige onderdelen.