Sản xuất sợi carbon

Dữ liệu vị trí

Đang tải bản đồ... {"minzoom":false,"maxzoom":false,"mappingservice":"leaflet","width":"auto","height":"200px","centre":false,"title":"","label":"","icon":"","lines":[],"polygons":[],"circles":[],"rectangles":[],"copycoords":false,"static":false,"zoom":1,"defzoom":14,"layers":["OpenStreetMap"],"image layers":[],"overlays":[],"resizable":false,"fullscreen":false,"scrollwheelzoom":true,"cluster":false,"clustermaxzoom":20,"clusterzoomonclick":true,"clustermaxradius":80,"clusterspiderfy":true,"geojson":"","clickta rget":"","imageLayers":[],"locations":[{"text":"","title":"","link":"","lat":44.230686111111111813443130813539028167724609375,"lon":-76.48132222222221798801911063492298126220703125,"icon":""}],"imageoverlays":null} +− Tờ rơi | © Những người đóng góp cho OpenStreetMap

Vị trí

Kingston , Canada

Sợi carbon đã được sản xuất thương mại từ những năm 1960 sau khi được Roger Bacon phát triển vào năm 1956. ^[1] Các vật liệu composite sợi carbon được đánh giá cao vì có mô đun Young ^W và độ bền kéo cao cũng như trọng lượng nhẹ. Một số dạng sợi carbon cũng là chất dẫn nhiệt tốt nên được đánh giá cao trong ngành công nghiệp điện tử. ^[2]

Nguyên tắc cơ bản

Tiền chất của sợi carbon phải trải qua quá trình ổn định và cacbon hóa ^W để trở thành sợi carbon hoàn thiện.

Tiền thân

Polyacrylonitrile

Polyacrylonitrile (PAN) là một chuỗi polyme được tạo ra từ quá trình trùng hợp ^W của các monome acrylonitrile ^W. Phản ứng trùng hợp được thể hiện trong hình 1. PAN thường được sản xuất bằng Phương pháp Sohio. PAN sẽ bị phân hủy trước nhiệt độ nóng chảy của nó và do đó không thể kéo sợi nóng chảy, do đó, phương pháp kéo sợi ướt được sử dụng, thứ hai là do các đặc tính đã đề cập ở trên của PAN, PAN tinh khiết hiếm khi được sử dụng, nó thường được kết hợp với một polyme khác. ^[3]

Cao độ pha trung gian

Nhựa mesophase thường được tạo ra từ dầu mỏ ^W hoặc than đá ^W tar. Nó được tạo ra từ các chuỗi thơm hợp nhất. ^[4] Nhựa mesophase không mất đi các đặc tính của nó khi nhiệt độ của nó tiếp cận điểm nóng chảy nên nó có thể được đùn nóng chảy và do đó quá trình đùn không cần dung môi được sử dụng trong quá trình đùn ướt. Các đặc tính của nhựa mesophase có thể được kiểm soát trong quá trình đùn, điều này có ý nghĩa đối với các đặc tính cuối cùng của sợi carbon ^[5]

Ổn định

Tiền chất phải được ổn định trước khi chúng có thể được cacbon hóa. Hiệu ứng của quá trình ổn định là tạo liên kết chéo các polyme. Mục đích của việc tạo liên kết chéo các polyme là để ngăn ngừa sự giãn nở và đứt mạch trong quá trình cacbon hóa. Đối với cả hai quá trình, mẫu được tiếp xúc với bầu không khí ở nhiệt độ 200-300ºC. Trong chuỗi PAN, quá trình ổn định gây ra cả quá trình tạo vòng và khử hydro, mẫu cũng phải được giữ căng để ngăn ngừa sự giãn nở của các chuỗi. Các mẫu nhựa đường không cần phải tạo lực căng vì chúng đã được căn chỉnh. Quá trình ổn định trong các sợi nhựa đường mesophase gây ra sự hình thành các hợp chất este và anhydride trong nhựa đường hoặc mất hàm lượng cacbon thơm ^[6]

Cacbon hóa

Carbon hóa là quá trình chuyển đổi vật liệu hữu cơ thành carbon. Quá trình carbon hóa được sử dụng để tạo ra sợi carbon là nhiệt phân, sử dụng nhiệt làm chất xúc tác để tăng năng lượng rung động của các nguyên tử và phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Khi được sử dụng để tạo thành sợi carbon, nhiệt phân phá vỡ các liên kết giữa các nguyên tử carbon và nguyên tử nitơ cũng như các liên kết giữa các nguyên tử carbon và nguyên tử oxy trong polyme. Sau đó, các nguyên tử carbon hình thành liên kết với các nguyên tử carbon khác tạo thành chuỗi lục giác, các thành phần nitơ và oxy được loại bỏ dưới dạng khí qua khí quyển, nơi diễn ra quá trình carbon hóa ^[7]

Quá trình

Quá trình sản xuất sợi Carbon theo ba đến bốn bước: đùn tiền chất, ổn định tiền chất, cacbon hóa tiền chất và tùy chọn là than hóa sợi carbon. Quá trình đùn tiền chất có tác động lớn đến các tính chất cuối cùng của sợi carbon. ^[3] Quá trình ổn định tiền chất là một quá trình khuếch tán và do đó phụ thuộc vào độ dày của sợi carbon, thường kéo dài từ 2 đến 4 giờ đối với sợi PAN có đường kính từ 0,001 đến 0,0005 um ^[8] Quá trình cacbon hóa đã được chứng minh là tối ưu hóa ở nhiệt độ từ 1500ºC đến 1600ºC. ^[7] Quá trình than hóa xảy ra ở nhiệt độ từ 2500ºC đến 3000ºC và cũng được tiến hành trong môi trường trơ. Để tối ưu hóa lượng khí trơ cần thiết để duy trì môi trường thanh lọc của bước cacbon hóa và than hóa mà không làm giảm cổng mở xuống kích thước có thể làm hỏng sợi đi qua, có thể sử dụng chất lỏng để tạo ra lớp niêm phong tại cổng mở. Các chất lỏng tiềm năng không được phản ứng với chất tiền thân khi nó đi qua chúng; các chất lỏng có thể được sử dụng với sợi nền PAN bao gồm benzen, xăng nặng hoặc thủy ngân. Quá trình này được thể hiện trong hình 2.

. Chất trơ tạo ra một lớp niêm phong giữa bầu khí quyển oxy mà polyme bị oxy hóa và bầu khí quyển trơ của quá trình cacbon hóa. Điều này cho phép các lỗ mà sợi phải đi qua giữa giai đoạn oxy hóa và giai đoạn cacbon hóa đủ lớn để tránh làm hỏng sợi trong khi vẫn duy trì được lớp niêm phong. Lớp niêm phong cho phép sử dụng một lượng nhỏ khí trơ hơn để duy trì bầu khí quyển không có oxy. ^[9]

Cải tiến

Như đã nêu ở trên, các tính chất của tiền chất sẽ có tác động lớn đến các tính chất của sợi carbon được sản xuất. Để cải thiện đáng kể các tính chất của sợi carbon được sản xuất, có thể sử dụng một tiền chất chuyên dụng chất lượng cao; tuy nhiên, các tiền chất chất lượng cao đắt hơn nhiều. Do đó, để cải thiện tính kinh tế của việc sản xuất sợi carbon, có thể sử dụng một tiền chất được sản xuất thương mại. ^[10] Khi lựa chọn một tiền chất được sản xuất thương mại, việc đưa monome axit itoconic vào trong đồng trùng hợp sẽ tạo điều kiện ổn định bằng cách bắt đầu tạo vòng. ^[11] Hơn nữa, việc lựa chọn một tiền chất có đường kính nhỏ hơn sẽ giảm thời gian cần thiết để ổn định và tăng cơ hội hoàn thành quá trình ổn định trong toàn bộ tiền chất. Việc kiểm soát quá trình ổn định cũng có thể góp phần vào các tính chất cuối cùng của sợi carbon. Hồ sơ gia nhiệt có thể được thay đổi để tạo ra sự khuếch tán oxy lớn hơn bên trong tiền chất để tăng độ ổn định. ^[10] Thực nghiệm cho thấy tiền chất PAN thương mại được kéo ướt chứa 94% acrylonitrile, 4,7% metyl acrylat và 1,3% axit itaconic có mặt cắt ngang là 176,7 um vuông khi ổn định với hồ sơ gia nhiệt 25ºC-200ºC trong 60 phút và giữ ở 200ºC trong một giờ sau đó đun nóng đến 210ºC trong 30 phút và giữ trong một giờ sau đó đun nóng đến 220ºC và giữ trong một giờ sau đó đun nóng đến 245ºC và giữ trong một giờ tạo ra sợi carbon có độ bền kéo là 2710 MPa. Sợi carbon này là sợi carbon tối ưu được sản xuất trong nghiên cứu này. ^[10]

Kinh tế

Người ta thấy rằng chi phí sản xuất sợi carbon có thể được chia thành sáu loại:

1. Vật liệu,
2. Vật liệu quy trình,
3. Năng lượng,
4. Nhân công,
5. Vốn và
6. Khác.

Trong số các loại này, Vật liệu chiếm 44% tổng chi phí, Vật liệu chế biến chiếm 6%, Chi phí năng lượng chiếm 15% tổng chi phí, Vốn chiếm 21% chi phí, Nhân công chiếm 9% chi phí và các chi phí khác chiếm 5% tổng chi phí. ^[12]

Cần xem xét các phương pháp để cải thiện hiệu quả năng lượng của quá trình này. ^{[ cần mở rộng ]}

Sợi carbon phù hợp cho các ứng dụng thương mại có thể được sản xuất với giá chỉ 5,83 đô la một pound. Chi phí này được chia thành 1,90 đô la cho tiền chất, 0,12 đô la cho xử lý trước, 1,51 đô la cho quá trình ổn định và oxy hóa, 1,19 đô la cho quá trình cacbon hóa và 1,11 đô la cho quá trình định cỡ, tạo bề mặt và kiểm soát chất lượng. Đây là giá mỗi pound để sản xuất sợi carbon từ sợi acrylic thông dụng và không bao gồm chi phí chung để xây dựng lò kéo hoặc lò nung được sử dụng trong mỗi quy trình. Các chi phí này ở mức năm 2002 và sẽ giảm nhẹ do những tiến bộ trong công nghệ. ^[13]

Ứng dụng

Sợi carbon có nhiều ứng dụng do độ bền kéo cao, mô đun Young và mật độ thấp. Khi được dệt thành vật liệu tổng hợp và kết hợp với nhựa, sợi carbon có thể được sử dụng để cung cấp vật liệu cực kỳ bền và nhẹ. Vật liệu tổng hợp sợi carbon được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô (thân xe), giải trí (vợt, gậy đánh golf, bình sơn áp suất), chân tay giả (bàn chân cong của báo gêpa) và nhiều ngành khác nữa.

Giải pháp thay thế tiềm năng: Lông gà than hóa

Lông gà carbon hóa (được nung nóng hoặc "nướng" trong điều kiện không có oxy) dường như có một số đặc tính cấu trúc rất thú vị, tương tự như ống nano carbon. Tuy nhiên, ống nano carbon đắt hơn nhiều và tiêu thụ một lượng lớn năng lượng trong quá trình sản xuất (xem ở trên). Điều này có nghĩa là thị trường dành cho chúng ưa chuộng các phương thức sản xuất quy mô lớn, thâm dụng vốn. Ngược lại, lông gà là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp gia cầm với chi phí xử lý và hiện ít được sử dụng. Một ấn phẩm năm 2009 cho thấy lông gà carbon hóa có thể lưu trữ một lượng lớn hydro và do đó có thể hữu ích cho các phương tiện chạy bằng hydro ( nguồn ). Nhưng ứng dụng thú vị hơn có thể là độ bền cơ học của những sợi này. Có thể nhúng chúng vào nhựa nhiệt dẻo và dệt những sợi rất mỏng của các vật liệu tổng hợp này thành các sợi và vải siêu bền nhưng cực rẻ. Bản tóm tắt dưới đây có một số chi tiết về quá trình carbon hóa.

Tóm tắt có liên quan có thể tìm thấy tại đây: http://acs.confex.com/acs/green07/techprogram/P41563.HTM Thứ sáu, ngày 29 tháng 6 năm 2007 - 10:10 sáng Phòng New York (Khách sạn Capital Hilton) 209Ống siêu nhỏ carbon từ lông gà của Melissa EN Miller, Đại học Delaware, Newark, DE và Richard P. Wool, Đại học Delaware, Newark, DE. Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, 5 tỷ pound lông gia cầm được tạo ra hàng năm và phải được xử lý đúng cách. Điều này tạo ra việc xử lý bãi chôn lấp và các vấn đề sức khỏe tiềm ẩn. Nghiên cứu này sử dụng chất thải này làm nguyên liệu có giá trị cho các vật liệu mới, hiệu suất cao, có nguồn gốc sinh học. Chứa 47,83% carbon, lông gà có bản chất rỗng và chắc do hàm lượng keratin là 91%. Nghiên cứu này đưa việc sử dụng lông gà tiến thêm một bước nữa, bằng cách carbon hóa chúng để tạo ra các sợi rỗng chắc, rẻ tiền. Nghiên cứu hiện tại cho thấy phương pháp cacbon hóa bằng cách nung nóng lông gà ở 225 °C trong 26 giờ, sau đó là 2 giờ ở 450 °C trong môi trường nitơ, tạo ra các sợi cacbon hóa vẫn duy trì cấu trúc rỗng của chúng. Các sợi này được thêm vào nhựa gốc dầu đậu nành để tạo thành vật liệu composite sinh học. Chúng tôi đang chứng kiến ​​sự gia tăng 236% trong mô đun lưu trữ composite ở 35 °C, từ 0,639 GPa với 0% sợi lên 2,145 GPa với 3,45 wt% sợi. Mô đun sợi chiết xuất có thứ tự là 142 GPa, tương đương với sợi carbon có mô đun thấp/trung bình. Các thí nghiệm về mật độ gradient cho thấy mật độ trong khoảng 1,325–1,43 g/cm3. Tỷ lệ khung hình là ~102. Tán xạ tia X góc rộng cho thấy khoảng cách giữa các mặt phẳng (d002) là 4,4 Å trong lông gà sống và sự thay đổi cấu trúc cho thấy 3,36 Å đối với lông gà carbon hóa, tương tự như 3,43 Å được tìm thấy trong sợi carbon thương mại. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm từ sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ đến túi khí, chất xúc tác, sửa chữa dây chằng, pin, lưu trữ hydro và pin nhiên liệu. Dự án này được hỗ trợ bởi Sáng kiến ​​nghiên cứu quốc gia của Dịch vụ nghiên cứu, giáo dục và mở rộng hợp tác của USDA, số tài trợ 2005-35504-16137.

Liên kết có liên quan: Lông gà than hóa

• Đặc điểm của lông gà carbon hóa
• Bài viết trên ScienceDaily về việc lưu trữ hydro trong lông gà
• hình ảnh kính hiển vi điện tử thú vị của lông gà bị than hóa
• (Âm thanh) ScienceFriday: Lưu trữ hydro trong lông gà?
• Phòng thí nghiệm Richard P. Wool tại Đại học Delaware

Tài liệu tham khảo

Dữ liệu trang

Một phần của	MECH370
Từ khóa	sợi carbon , xử lý vật liệu
Mục tiêu phát triển bền vững	SDG09 Đổi mới công nghiệp và cơ sở hạ tầng
Tác giả	Taylor Robertson , Rasmus , Peter Sinclair
Giấy phép	CC-BY-SA-3.0
Tổ chức	Đại học Queen
Ngôn ngữ	Tiếng Anh (en)
Bản dịch	Tiếng Trung Quốc
Có liên quan	1 trang con , 5 trang liên kết ở đây
Bí danh	Sản xuất sợi carbon , Sản xuất sợi carbon
Sự va chạm	1.174 lượt xem trang ( thêm )
Tạo	Ngày 11 tháng 11 năm 2008 bởi Taylor Robertson
Lần sửa đổi cuối cùng	Ngày 29 tháng 2 năm 2024 bởi Kathy Nativi
Trích dẫn như	Taylor Robertson , Rasmus , Peter Sinclair (2008–2024). "Sản xuất sợi carbon" . Appropedia . Truy cập ngày 11 tháng 9 năm 2024 .
Truy vấn API	cơ bản , ngữ nghĩa , html , tập tin , nhiều hơn