Виды углеродного волокна и технологии его производства

Углеродное волокно (CF) — это волокна диаметром 5–10 микрометров, состоящие преимущественно из атомов углерода.

Основные преимущества углеродного волокна:

• высокая жесткость,
• высокая предельная прочность на растяжение,
• малый вес и
• высокая химическая стойкость.

После прочтения этой статьи вы узнаете о основной классификации углеродного волокна, необходимых сырьевых материалах и детальном процессе производства.

Это позволит вам быстро оценивать качество изделий из углеродного волокна и эффективнее понимать весь производственный цикл.

1. Общая классификация углеродного волокна

А. По модулю упругости на растяжение

Модуль упругости на растяжение волокна является ключевым критерием классификации.

По сути, модуль упругости на растяжение — это мера жесткости волокна определенного диаметра, или сопротивления растяжению: чем выше число, тем жестче волокно.

Б. По возрастанию модуля упругости на растяжение

Другие классификации, в порядке возрастания модуля упругости, включают: «стандартный модуль», «промежуточный модуль», «высокий модуль» и «ультравысокий модуль».

Например, ультравысокомодульное углеродное волокно имеет модуль упругости 500 млн – 1,0 млрд кПа. Для сравнения, сталь имеет модуль упругости около 200 млн кПа. Таким образом, самое прочное углеродное волокно примерно в пять раз прочнее стали.

2. Какие сырьевые материалы необходимы для производства?

Сырьевым материалом для производства углеродного волокна является прекурсор (предшественник).

А. Полиакрилонитрил

Около 90% углеродного волокна производят из полиакрилонитрила.

Б. Вискоза или нефтяная пичь

Оставшиеся 10% получают из вискозы или нефтяной пичи. Все эти материалы — органические полимеры, характеризующиеся длинными цепочками молекул, связанных атомами углерода.

В. Газы и жидкости

В процессе производства незаменимы различные газы и жидкости.

Некоторые из них должны реагировать с волокном для достижения определенного эффекта. Другие не должны реагировать или предотвращать определенные реакции с волокном.

Как и в случае с прекурсорами, точные составы многих процессных материалов являются коммерческими тайнами.

3. Процесс производства углеродного волокна

Процесс получения углеродного волокна частично химический и частично механический.

Прекурсор вытягивают в длинные нити или волокна, затем нагревают до очень высокой температуры, исключая контакт с кислородом.

Без кислорода волокно не может сгореть. Вместо этого высокая температура заставляет атомы в волокне вибрировать так интенсивно, что большинство неуглеродных атомов удаляется.

Этот процесс называется углеобразованием (карбонизацией) и оставляет волокно, состоящее из длинных, плотно переплетенных цепочек атомов углерода с небольшим количеством остаточных неуглеродных атомов.

Далее мы представим типичную последовательность операций для производства углеродного волокна из полиакрилонитрила.

3.1 Формовка (спиннинг)

1) Смешивают порошок акрилонитрила с другим полимером (метилакрилат или метилметакрилат).

2) Реагируют с катализатором в обычном процессе суспензионной или растворной полимеризации для получения полиакрилонитрила.

3) Полимер затем вытягивают в волокна, которые промывают и вытягивают.

3.2 Стабилизация (оксидирование)

1) Перед углеобразованием волокна нужно химически модифицировать, чтобы превратить их линейную атомную структуру в более термически стабильную лестничную структуру.

2) Стабилизация осуществляется нагревом волокен в воздухе до 200–300 °C (390–590 °F) в течение 30–120 минут.

3.3 Углеобразование (карбонизация)

1) После завершения стабилизации волокна нагревают до температуры 1000–3000 °C (1830–5500 °F) на несколько минут в печи, заполненной газовой смесью без кислорода.

2) Давление газа внутри печи поддерживается выше атмосферного, а точки входа и выхода волокен герметизированы, чтобы исключить попадание кислорода.

3.4 Обработка поверхности

После углеобразования у волокен поверхность, которая плохо связывается с эпоксидными и другими композитными материалами. Для придания лучших адгезионных свойств их поверхность слабо окисляют.

3.5 Накисление (сайзинг)

1) После обработки поверхности волокна покрывают для защиты от повреждений при намотке или плетении. Этот процесс называется накислением (сайзингом).

Материалы покрытия подбирают, совместимые с клеем для композитов. Типовые материалы покрытия включают эпоксидные смолы, полиэстер, нейлон, уретан и др.

2) Покрытые волокна наматывают на цилиндры — бобинки. Бобинки загружают в спиннинг-машину, где волокна скручивают в прядь различных размеров.

Это базовая информация о производстве углеродного волокна, надеемся, она будет полезна. Не стесняйтесь оставлять комментарии, если есть вопросы.

Примечание: Мы не владеем правами на изображения. Если они принадлежат вам, свяжитесь с нами — мы удалим их максимально быстро.