Uhlíkové Vlákno: Technológia Výroby Uhlíkových Vlákien V Rusku, Tmel A Podlahové Vykurovanie Uhlíkovými Vláknami, Hustota A Charakteristiky Uhlíkových Vlákien

2024 Autor: Beatrice Philips | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-09 13:43

Vedieť všetko o uhlíkových vláknach je pre každého moderného človeka veľmi dôležité. Pochopením technológie výroby uhlíka v Rusku, hustoty a ďalších charakteristík uhlíkových vlákien bude jednoduchšie porozumieť rozsahu jeho aplikácie a urobiť správnu voľbu. Okrem toho by ste sa mali dozvedieť všetko o tmeli a podlahovom vykurovaní uhlíkovými vláknami, o zahraničných výrobcoch tohto produktu a o rôznych oblastiach použitia.

Zvláštnosti

Názvy uhlíkových vlákien a uhlíkových vlákien a v mnohých zdrojoch aj uhlíkových vlákien sú veľmi časté. Predstava skutočných vlastností týchto materiálov a možností ich použitia je však pre mnohých ľudí úplne odlišná. Z technického hľadiska tento materiál je zostavený z nití s prierezom najmenej 5 a najviac 15 mikrónov … Takmer celá kompozícia pozostáva z atómov uhlíka - odtiaľ pochádza názov. Tieto atómy sú zoskupené do ostrých kryštálov, ktoré tvoria rovnobežné čiary.

Táto konštrukcia poskytuje veľmi vysokú pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákno nie je úplne nový vynález . Prvé vzorky podobného materiálu dostal a použil Edison. Neskôr, v polovici dvadsiateho storočia, prešlo uhlíkové vlákno renesanciou - a odvtedy sa jeho používanie neustále zvyšuje.

Uhlíkové vlákno sa teraz vyrába z celkom odlišných surovín - a preto sa jeho vlastnosti môžu veľmi líšiť.

Zloženie a fyzikálne vlastnosti

Najdôležitejšou z vlastností uhlíkových vlákien zostáva výnimočná tepelná odolnosť … Aj keď sa látka zahreje na 1600 - 2000 stupňov, potom sa pri absencii kyslíka v prostredí jej parametre nezmenia. Hustota tohto materiálu, spolu s obvyklým, je tiež lineárna (meraná v takzvanom tex). S lineárnou hustotou 600 tex bude hmotnosť 1 km pásu 600 g. V mnohých prípadoch je tiež veľmi dôležitý elastický modul materiálu alebo, ako sa hovorí, Youngov modul.

V prípade vysokopevných vlákien sa tento údaj pohybuje od 200 do 250 GPa. Vysokomodulové uhlíkové vlákno vyrobené na báze PAN má elastický modul približne 400 GPa. V prípade roztokov z tekutých kryštálov sa tento parameter môže pohybovať od 400 do 700 GPa. Modul pružnosti sa vypočíta na základe odhadu jeho hodnoty pri natiahnutí jednotlivých grafitových kryštálov. Orientácia atómových rovín sa stanoví pomocou rôntgenovej difrakčnej analýzy.

Štandardné povrchové napätie je 0,86 N / m. Pri spracovaní materiálu na získanie kovovo-kompozitného vlákna sa tento údaj zvýši na 1,0 N / m . Meranie metódou kapilárneho výstupu pomáha určiť príslušný parameter. Teplota topenia vlákien na báze ropných smolov je 200 stupňov. Točenie prebieha asi pri 250 stupňoch; teplota topenia iných typov vlákien priamo závisí od ich zloženia.

Maximálna šírka uhlíkových tkanín závisí od technologických požiadaviek a odtieňov. U mnohých výrobcov je to 100 alebo 125 cm. Pokiaľ ide o osovú pevnosť, bude sa rovnať:

• pre vysokopevné výrobky na báze PAN od 3 000 do 3 500 MPa;
• pre vlákna s výrazným predĺžením striktne 4500 MPa;
• pre vysokomodulový materiál od 2 000 do 4 500 MPa.

Teoretické výpočty stability kryštálu pri ťahovej sile voči atómovej rovine mriežky poskytujú odhadovanú hodnotu 180 GPa. Očakávaný praktický limit je 100 GPa. Experimenty však zatiaľ nepotvrdili prítomnosť úrovne viac ako 20 GPa. Skutočná pevnosť uhlíkových vlákien je obmedzená jeho mechanickými chybami a nuansami výrobného postupu. Pevnosť v ťahu úseku s dĺžkou 1/10 mm stanovená v praktických štúdiách bude od 9 do 10 GPa.

Osobitnú pozornosť si zaslúži uhlíkové vlákno T30 . Tento materiál sa používa hlavne pri výrobe prútov. Toto riešenie sa vyznačuje svojou ľahkosťou a vynikajúcou rovnováhou. Index T30 označuje modul pružnosti 30 ton.

Zložitejšie výrobné procesy vám umožňujú získať výrobok na úrovni T35 a tak ďalej.

Technológia výroby

Uhlíkové vlákna môžu byť vyrobené zo širokej škály typov polymérov. Režim spracovania určuje dva hlavné typy takýchto materiálov - karbonizované a grafitizované typy. Existuje významný rozdiel medzi vláknom získaným z PAN a rôznymi typmi smoly. Kvalitné uhlíkové vlákna, vysoké pevnosti a vysoké moduly, môžu mať rôzne úrovne tvrdosti a modulu . Je zvykom uvádzať ich na rôzne značky.

Vlákna sa vyrábajú vo forme vlákien alebo zväzkov. Sú tvorené 1 000 až 10 000 súvislými vláknami. Tkaniny z týchto vlákien je možné tiež vyrábať, podobne ako kúdele (v tomto prípade je počet vlákien ešte vyšší). Východiskovou surovinou sú nielen jednoduché vlákna, ale aj smoly z tekutých kryštálov a polyakrylonitril. Výrobný proces zahŕňa najskôr výrobu pôvodných vlákien a potom sa zohrejú na vzduchu pri 200 - 300 stupňoch.

V prípade PAN sa tento proces nazýva predúprava alebo zvýšenie požiarnej odolnosti. Po takom postupe dostane smola takú dôležitú vlastnosť, ako je infuzibilita. Vlákna sú čiastočne oxidované. Režim ďalšieho zahrievania určuje, či budú patriť do karbonizovanej alebo grafitizovanej skupiny . Koniec práce znamená dodať povrchu potrebné vlastnosti, po ktorom je dokončený alebo dimenzovaný.

Oxidácia vo vzduchu zvyšuje požiarnu odolnosť nielen v dôsledku oxidácie. Prispieva to nielen čiastočnou dehydrogenáciou, ale aj medzimolekulovým zosieťovaním a inými procesmi. Okrem toho je znížená citlivosť materiálu na tavenie a prchanie atómov uhlíka. Karbonizácia (vo vysokoteplotnej fáze) je sprevádzaná splyňovaním a únikom všetkých cudzích atómov.

Vlákna PAN zahriate na 200 - 300 stupňov v prítomnosti vzduchu sčernajú.

Ich následná karbonizácia sa vykonáva v dusíkovom prostredí pri 1 000 - 1 500 stupňoch. Optimálna úroveň vykurovania je podľa mnohých technológov 1200 - 1400 stupňov . Vlákno s vysokým modulom sa bude musieť zahriať na asi 2 500 stupňov. V predbežnej fáze PAN dostáva rebríkovú mikroštruktúru. Za jeho výskyt „zodpovedá“kondenzácia na intramolekulárnej úrovni sprevádzaná výskytom polycyklickej aromatickej látky.

Čím viac teplota stúpa, tým väčšia bude štruktúra cyklického typu . Po ukončení tepelného spracovania podľa technológie je usporiadanie molekúl alebo aromatických fragmentov také, že hlavné osi budú rovnobežné s osou vlákna. Napätie zabraňuje pádu stupňa orientácie. Špecifické vlastnosti rozkladu PAN počas tepelného spracovania sú určené koncentráciou očkovaných monomérov. Každý typ takýchto vlákien určuje počiatočné podmienky spracovania.

Tekutú kryštalickú ropu je potrebné dlhodobo uchovávať pri teplotách od 350 do 400 stupňov. Tento režim povedie ku kondenzácii polycyklických molekúl. Ich hmotnosť sa zvyšuje a postupne dochádza k lepeniu (s tvorbou sférolitov). Ak sa zahrievanie nezastaví, sferulity rastú, zvyšuje sa molekulová hmotnosť a výsledkom je tvorba súvislej kvapalnej kryštalickej fázy . Kryštály sú príležitostne rozpustné v chinolíne, ale zvyčajne sa nerozpúšťajú v ňom ani v pyridíne (to závisí od nuansy technológie).

Vlákna získané z smoly z tekutých kryštálov s 55 - 65% tekutých kryštálov tečú plasticky. Odstreďovanie sa vykonáva pri 350 - 400 stupňoch. Vysoko orientovaná štruktúra je vytvorená počiatočným zahrievaním vo vzduchovej atmosfére na 200 - 350 stupňov a následným držaním v inertnej atmosfére. Vlákna značky Thornel P-55 sa musia zahriať na 2 000 stupňov, čím vyšší je modul pružnosti, tým vyššia by mala byť teplota.

V poslednej dobe sa vedecké a technické práce stále viac venujú technológiám využívajúcim hydrogenáciu. Počiatočná výroba vlákien sa často dosahuje hydrogenáciou zmesi dechtu z uhoľného dechtu a naftálovej gumy. V tomto prípade by mal byť prítomný tetrahydrochinolín . Teplota spracovania je 380 - 500 stupňov. Pevné látky sa môžu odstrániť filtráciou a odstredivkou; potom sa smoly zahustia pri zvýšenej teplote. Na výrobu uhlíka je potrebné použiť (v závislosti od technológie) rôzne zariadenia:

• vrstvy, ktoré distribuujú vákuum;
• čerpadlá;
• tesniace postroje;
• pracovné stoly;
• pasce;
• vodivá sieť;
• vákuové fólie;
• predimpregnované lamináty;
• autoklávy.

Prehľad trhu

Na svetovom trhu vedú títo výrobcovia uhlíkových vlákien:

• Thornell, Fortafil a Celion (Spojené štáty);
• Grafil a Modmore (Anglicko);
• Kureha-Lone a Toreika (Japonsko);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• Skupina SGL;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

V Rusku sa dnes vyrába uhlík:

• Závod v Čeľabinsku z uhlíka a kompozitných materiálov;
• Výroba uhlíka Balakovo;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Saratovský podnik „ŠTART“.

Produkty a aplikácie

Na výrobu kompozitnej výstuže sa používa uhlíkové vlákno. Je tiež bežné ho používať na získanie:

• obojsmerné textílie;
• návrhárske textílie;
• dvojosové a kvadroaxiálne tkanivo;
• netkaná látka;
• jednosmerná páska;
• predimpregnované lamináty;
• vonkajšia výstuž;
• vlákno;
• postroje.

Teraz je to dosť vážna inovácia infračervená teplá podlaha . V tomto prípade sa materiál používa ako náhrada za tradičný kovový drôt. Dokáže generovať 3 -krát viac tepla, navyše sa zníži spotreba energie asi o 50%. Milovníci modelovania zložitých techník často používajú uhlíkové trubice získané navíjaním. Tieto výrobky sú žiadané aj výrobcami automobilov a iného vybavenia. Uhlíkové vlákno sa často používa napríklad na ručné brzdy. Na základe tohto materiálu tiež získate:

• diely pre modely lietadiel;
• jednodielne kukly;
• bicykle;
• diely na tuning automobilov a motocyklov.

Panely z uhlíkovej tkaniny sú o 18% tuhšie ako hliník a o 14% viac ako konštrukčná oceľ … Rukávy na báze tohto materiálu sú potrebné na získanie rúrok a rúrok rôzneho prierezu, špirálových výrobkov rôznych profilov. Používajú sa aj na výrobu a opravu golfových palíc. Tiež stojí za to poukázať na jeho použitie. pri výrobe obzvlášť odolných puzdier pre smartfóny a iné pomôcky . Tieto výrobky majú spravidla prémiový charakter a majú vylepšené dekoratívne vlastnosti.

Pokiaľ ide o prášok dispergovaného grafitového typu, je to potrebné:

• pri prijímaní elektricky vodivých povlakov;
• pri uvoľňovaní lepidla rôznych typov;
• pri vystužovaní foriem a niektorých ďalších častí.

Tmel z uhlíkových vlákien je v mnohých ohľadoch lepší ako tradičný tmel. Túto kombináciu oceňuje mnoho odborníkov pre svoju plasticitu a mechanickú pevnosť. Kompozícia je vhodná na zakrytie hlbokých defektov. Uhlíkové prúty alebo prúty sú silné, ľahké a majú dlhú životnosť. Takýto materiál je potrebný na:

• letectvo;
• raketový priemysel;
• uvoľnenie športového vybavenia.

Pyrolýzou solí karboxylových kyselín je možné získať ketóny a aldehydy. Vynikajúce tepelné vlastnosti uhlíkových vlákien umožňujú jeho použitie v ohrievačoch a vyhrievacích podložkách. Takéto ohrievače:

• ekonomické;
• spoľahlivý;
• sa vyznačujú pôsobivou účinnosťou;
• nešírte nebezpečné žiarenie;
• relatívne kompaktný;
• dokonale automatizované;
• prevádzkované bez zbytočných problémov;
• nešírte cudzí hluk.

Uhlíkovo-uhlíkové kompozity sa používajú na výrobu:

• podpery na tégliky;
• kužeľové diely pre vákuové taviace pece;
• pre nich rúrkové časti.

Medzi ďalšie oblasti použitia patria:

• domáce nože;
• použitie na okvetný ventil v motoroch;
• použitie v stavebníctve.

Moderní stavitelia už dlho používajú tento materiál nielen na vonkajšie vystuženie. Je tiež potrebné posilniť kamenné domy a bazény. Lepená výstužná vrstva obnovuje vlastnosti podpier a nosníkov v mostoch. Používa sa tiež pri vytváraní septikov a rámovaní prírodných, umelých nádrží, pri práci s kesónom a zásobníkom.

Môžete tiež opravovať držadlá nástrojov, opravovať rúry, opravovať nábytkové nohy, hadice, držadlá, kufre na vybavenie, parapety a okná z PVC.