1. Postopek izdelave materiala iz ogljikovih vlaken
Postopek izdelave ogljikovih vlaken je zapleten in drag. Sledi postopek izdelave ogljikovih vlaken na osnovi PAN:
1. Polimerizacija in predenje
- Priprava prekurzorja se začne z monomerom akrilonitrila, ki se v reaktorju kombinira s plastificiranimi akrilnimi komonomeri in katalizatorji (kot so itakonska kislina, žveplov dioksid, žveplova kislina ali metakrilna kislina). Sestavine nenehno mešamo, da zagotovimo viskoznost in čistost ter da sprožimo tvorbo prostih radikalov v molekularni strukturi akrilonitrila, ki proizvaja dolgoverižne polimere, ki lahko tvorijo akrilna vlakna.
- Vlakna PAN so oblikovana z mokrim predenjem ali suhim curkom/mokrim predenjem (mešani postopek). Mokro predenje je potopitev koncentrirane raztopine v tekočo koagulacijsko kopel in iztiskanje skozi luknje v predilnici iz plemenitih kovin (luknje v predilnici se ujemajo z zahtevanim številom filamentov vlaken PAN). Mokro predena vlakna se vlečejo z izpiranjem z vodo, da se odstrani presežek koagulanta, nato pa se posušijo in raztegnejo, da se še naprej izboljšuje orientacija polimera PAN; Predenje s suhim curkom/mokrim bo imelo zračni segment med vlaknom in koagulacijsko kopeljo, rezultat pa so gladka okrogla PAN vlakna.
- Zadnji korak postopka prekurzorskih vlaken PAN je mazanje z oljem, ki preprečuje, da bi se predivo pred navijanjem zlepilo.
2. Oksidacija (stabilizacija)
- Predoksidacija je najdaljši postopek v postopku priprave ogljikovih vlaken, temperatura oksidacijske peči pa se giblje od 392 stopinj F do 572 stopinj F (200 stopinj do 300 stopinj).
- Ta proces združuje molekule kisika iz zraka z vlakni PAN in začne premreževati polimerne verige, kar poveča gostoto vlaken z 1,18 g/cc na kar 1,38 g/cc.
- Da bi se izognili nenadzorovani eksotermnosti vlaken PAN (celotna eksotermna energija, sproščena med oksidacijo, je ocenjena na 2,000kJ/kg, kar predstavlja nevarnost požara), proizvajalci peči pred oksidacijo uporabljajo različne zasnove pretoka zraka za pomaga pri odvajanju toplote in nadzoru temperature. Čas oksidacije je odvisen od kemijske reakcije prekurzorskega vlakna, običajno od 60 do 120 minut, vsaka proizvodna linija pa zahteva 4 do 6 pečic, ki jih je mogoče združiti v dve ogrevalni coni. Oksidirana vlakna PAN vsebujejo približno 50 % - 65% molekul ogljika, ostalo pa je mešanica vodika, dušika in kisika.
3. Karbonizacija (postopek grafitizacije je potreben za pripravo ogljikovih vlaken z visokim modulom)
- Reakcija karbonizacije se izvaja v posebej zasnovani karbonizacijski peči in zahteva zaščito inertne atmosfere (brez kisika).
- V odsotnosti kisika se samo molekule brez ogljika, vključno z vodikovim cianidom in drugimi HOS (ki nastanejo pri koncentraciji 40 - 80ppm med stabilizacijo) in delci, odstranijo in izpustijo iz visokotemperaturne peči, nato pa naknadno predelano v okoljsko nadzorovani sežigalnici.
- Med postopkom karbonizacije je treba uporabiti določeno raztezno napetost, da se optimizira kristalizacija molekul ogljika za proizvodnjo ogljikovih vlaken z vsebnostjo ogljika več kot 90 %. Razlika med ogljikovimi vlakni in visokomodulnimi ogljikovimi vlakni (znanimi tudi kot "grafitna vlakna") je v tem, da je prvo vlakno karbonizirano pri približno 1315 stopinjah/2400 stopinjah F z vsebnostjo ogljika 93 % - 95 %, medtem ko slednji je grafitiziran pri 1900 - 2480 stopinji (3450 - 4500 stopinji F) in ima vsebnost ogljika več kot 99 %. Relativno visoki stroški visokomodulnih in ultravisokomodulnih ogljikovih vlaken so deloma posledica dolžine časa zadrževanja in temperature, ki jo je treba doseči v visokotemperaturni peči.
4. Površinska obdelava in dimenzioniranje
- Adhezija med matrično smolo in ogljikovimi vlakni je bistvenega pomena za ojačitev kompozitnega materiala, v procesu izdelave ogljikovih vlaken pa je namen površinske obdelave povečati ta oprijem.
2. Postopek oblikovanja z veslom iz ogljikovih vlaken
1. Metoda oblikovanja
- Potek procesa: priprava materiala → zlaganje → vstop v kalup → vroče stiskanje → hlajenje, odstranjevanje iz kalupa → obdelava in oblikovanje → poznejše brušenje in poliranje, pršenje in brušenje itd. Pred vstopom v kalup, čiščenje kalupa, predgretje kalupa in nanos sredstva za ločitev kalupa je treba tudi izvesti.
- Posebni koraki
- Očistite kalup: očistite ostanke smole in umazanijo v kalupu od zadnje uporabe ter poskrbite, da bo kalup čist in gladek.
- Predgrejte kalup: toplotno obdelajte kalup.
- Nanesite ločilno sredstvo: nanesite določeno količino ločilnega sredstva v utor kalupa, da preprečite, da bi se oblikovani izdelek in kalup zlepila skupaj po predhodnem segrevanju.
- Pripravite materiale: pripravite surovine ogljikovih vlaken za izdelavo izdelkov, izračunajte površino materiala in število listov surovin.
- Zlaganje materialov: surovine zložite plast za plastjo in predhodno stisnite zložene materiale, da oblikujete gosto telo pravilne oblike in določene kakovosti.
- Vstopite v kalup: položite zložene surovine v kalup in vstavite plastično zračno blazino, zaprite kalup, dajte celoto v stroj za zapiranje kalupov, uporabite določen stalni pritisk in temperaturo na notranjo plastično zračno blazino, nastavite konstantno čas, da ga utrdimo.
- Hlajenje in odstranjevanje iz kalupa: ohladite kalup, ki je bil vroče stiskan nekaj časa, nato odprite kalup in ga odstranite iz kalupa.
- Obdelava in oblikovanje: Izdelek je treba po odstranitvi iz kalupa očistiti, ostanke plastike pa postrgati z jekleno krtačo ali bakreno krtačo in nato spihati s stisnjenim zrakom. Oblikovani izdelek je treba polirati, da bo površina gladka in urejena.
- Značilnosti: Primerno za množično proizvodnjo, stabilna kakovost, vendar visoki proizvodni stroški in velike naložbe.
2. Ročna metoda laminiranja
- Postopek delovanja: Izrežite plošče iz ogljikovih vlaken, prepojene z lepilom, in jih zložite na kup, ali s čopičem premažite smolo na eni strani plasti in jih nato toplotno stisnite.
- Lastnosti: Smer, velikost in debelino vlakna lahko poljubno izberete. Metoda je preprosta in poceni. Lahko se dokonča brez velikega stroja. Cena izdelka je nizka, vendar kakovost relativno ni tako dobra kot izdelek s postopkom oblikovanja.
3. Metoda navijanja
- Področje uporabe: Navijanje monofilamentov iz ogljikovih vlaken na gredi iz ogljikovih vlaken je še posebej primerno za izdelavo valjev in votlih posod, predvsem za proizvodnjo cevi iz ogljikovih vlaken.
4. Metoda iztiskanja in vlečenja
- Postopek delovanja: najprej popolnoma infiltrirajte ogljikova vlakna, odstranite smolo in zrak z iztiskanjem in vlečenjem, nato pa jih utrdite in oblikujte v peči.
- Lastnosti: Preprost, primeren za pripravo paličastih in cevastih delov.
