กระบวนการผลิตไม้พายคาร์บอนไฟเบอร์

1. กระบวนการผลิตวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความซับซ้อนและมีราคาแพง ต่อไปนี้เป็นกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์แบบ PAN:
1. การเกิดพอลิเมอไรเซชันและการปั่นด้าย
- การเตรียมสารตั้งต้นเริ่มต้นด้วยโมโนเมอร์อะคริโลไนไตรล์ ซึ่งรวมกับโคโมโนเมอร์อะคริลิกแบบพลาสติกและตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่น กรดอิตาโคนิก กรดซัลฟิวริกไดออกไซด์ กรดซัลฟิวริก หรือกรดเมทาคริลิก) ในเครื่องปฏิกรณ์ ส่วนผสมจะถูกกวนอย่างต่อเนื่องเพื่อให้แน่ใจว่ามีความหนืดและความบริสุทธิ์ และเพื่อเริ่มต้นการก่อตัวของอนุมูลอิสระภายในโครงสร้างโมเลกุลอะคริโลไนไตรล์ ทำให้เกิดโพลีเมอร์สายยาวที่สามารถสร้างเส้นใยอะคริลิกได้
- เส้นใย PAN เกิดจากการปั่นแบบเปียกหรือการปั่นแบบแห้ง/การปั่นแบบเปียก (กระบวนการผสม) การปั่นแบบเปียกคือการแช่สารละลายเข้มข้นในอ่างแข็งตัวของของเหลว และขับออกมาผ่านรูในสปินเนอร์ที่ทำจากโลหะมีค่า (รูสปินเนอร์ตรงกับจำนวนเส้นใยของเส้นใย PAN ที่ต้องการ) เส้นใยปั่นเปียกถูกดึงโดยการล้างด้วยน้ำเพื่อกำจัดสารจับตัวเป็นก้อนส่วนเกิน จากนั้นทำให้แห้งและยืดออกเพื่อปรับปรุงการวางแนวของโพลีเมอร์ PAN ต่อไป การปั่นแบบแห้งด้วยเจ็ท/เปียกจะมีส่วนของอากาศระหว่างเส้นใยและอ่างจับตัวเป็นก้อน ส่งผลให้เส้นใย PAN กลมเรียบ
- ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการไฟเบอร์สารตั้งต้นของ PAN คือการหล่อลื่น ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้สายพ่วงเกาะติดกันก่อนที่จะพัน
2. ออกซิเดชั่น (การทำให้เสถียร)
- ก่อนออกซิเดชันเป็นกระบวนการที่ยาวที่สุดในกระบวนการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ และอุณหภูมิของเตาอบออกซิเดชั่นอยู่ระหว่าง 392 องศา F ถึง 572 องศา F (200 องศาถึง 300 องศา)
- กระบวนการนี้รวมโมเลกุลออกซิเจนจากอากาศเข้ากับเส้นใย PAN และเริ่มเชื่อมโยงโซ่โพลีเมอร์ ซึ่งเพิ่มความหนาแน่นของเส้นใยจาก 1.18g/cc เป็นสูงถึง 1.38g/cc
- เพื่อหลีกเลี่ยงคายความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้ของเส้นใย PAN (พลังงานคายความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาระหว่างการเกิดออกซิเดชันอยู่ที่ประมาณ 2,000kJ/kg ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้) ผู้ผลิตเตาอบก่อนออกซิเดชันจึงใช้การออกแบบการไหลเวียนของอากาศที่หลากหลายเพื่อ ช่วยกระจายความร้อนและควบคุมอุณหภูมิ เวลาออกซิเดชันจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาทางเคมีของเส้นใยสารตั้งต้น โดยปกติจะใช้เวลา 60 ถึง 120 นาที และแต่ละสายการผลิตต้องใช้เตาอบ 4 ถึง 6 เตา ซึ่งสามารถวางซ้อนกันเพื่อให้เกิดโซนทำความร้อนได้ 2 โซน เส้นใย PAN ที่ถูกออกซิไดซ์ประกอบด้วยโมเลกุลคาร์บอนประมาณ 50% - 65% และส่วนที่เหลือเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจน
3. คาร์บอไนเซชัน (ต้องใช้กระบวนการกราฟิคเพื่อเตรียมเส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูง)
- ปฏิกิริยาคาร์บอไนเซชันดำเนินการในเตาเผาคาร์บอไนเซชันที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ และต้องมีการปกป้องบรรยากาศเฉื่อย (ปราศจากออกซิเจน)
- ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน เฉพาะโมเลกุลที่ไม่ใช่คาร์บอน ซึ่งรวมถึงไฮโดรเจนไซยาไนด์และ VOC อื่นๆ (สร้างขึ้นที่ความเข้มข้น 40 - 80 ppm ในระหว่างการทำให้เสถียร) และอนุภาคจะถูกกำจัดและระบายออกจากเตาหลอมที่มีอุณหภูมิสูง จากนั้นจึง- แปรรูปในเตาเผาขยะที่ควบคุมสิ่งแวดล้อม
- ต้องใช้ความตึงเครียดในการยืดในระหว่างกระบวนการคาร์บอไนเซชันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการตกผลึกของโมเลกุลคาร์บอนเพื่อผลิตเส้นใยคาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90% ความแตกต่างระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูง (หรือที่เรียกว่า "เส้นใยกราไฟท์") ก็คือเส้นใยชนิดแรกนั้นเป็นเส้นใยคาร์บอนที่อุณหภูมิประมาณ 1315 องศา /2400 องศา F โดยมีปริมาณคาร์บอน 93% - 95% ในขณะที่ ส่วนหลังถูกสร้างกราฟที่ 1900 - 2480 องศา (3450 - 4500 องศา F) และมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 99% ต้นทุนที่ค่อนข้างสูงของเส้นใยคาร์บอนมอดุลัสสูงและโมดูลัสสูงพิเศษ ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากระยะเวลาการพักตัวและอุณหภูมิที่ต้องทำให้ถึงในเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูง
4. การรักษาพื้นผิวและการปรับขนาด
- การยึดเกาะระหว่างเมทริกซ์เรซินและคาร์บอนไฟเบอร์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเสริมแรงวัสดุคอมโพสิต และในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ วัตถุประสงค์ของการรักษาพื้นผิวคือเพื่อเพิ่มการยึดเกาะนี้

2. กระบวนการขึ้นรูปแบบพายคาร์บอนไฟเบอร์
1. วิธีการปั้น
- ผังกระบวนการ: การเตรียมวัสดุ → การวางซ้อน → การป้อนแม่พิมพ์ → การกดร้อน → การระบายความร้อน การรื้อถอน → การประมวลผลและการขึ้นรูป → การบดและขัดในภายหลัง การพ่นและการเจียร ฯลฯ ก่อนเข้าสู่แม่พิมพ์ การทำความสะอาดแม่พิมพ์ การอุ่นแม่พิมพ์ และการใช้สารปล่อยแม่พิมพ์ จะต้องดำเนินการด้วย
- ขั้นตอนเฉพาะ
- ทำความสะอาดแม่พิมพ์: ทำความสะอาดเรซินและเศษที่เหลือในแม่พิมพ์จากการใช้งานครั้งล่าสุด และรักษาแม่พิมพ์ให้สะอาดและเรียบเนียน
- เปิดแม่พิมพ์: ให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์
- ใช้สารช่วยคลายตัว: ใช้สารช่วยคลายตัวจำนวนหนึ่งในร่องของแม่พิมพ์เพื่อป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปและแม่พิมพ์ติดกันหลังจากการอุ่นก่อน
- เตรียมวัตถุดิบ : เตรียมวัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์ที่จะนำมาทำเป็นผลิตภัณฑ์ คำนวณพื้นที่วัสดุและจำนวนแผ่นวัตถุดิบ
- การวางซ้อนวัสดุ: ซ้อนวัตถุดิบทีละชั้น และกดวัสดุที่ซ้อนกันไว้ล่วงหน้าเพื่อสร้างตัวถังที่หนาแน่นโดยมีรูปร่างสม่ำเสมอและมีคุณภาพที่แน่นอน
- ใส่แม่พิมพ์: วางวัตถุดิบที่ซ้อนกันลงในแม่พิมพ์ และใส่ถุงลมพลาสติกภายใน ปิดแม่พิมพ์ ใส่ทั้งหมดลงในเครื่องปิดแม่พิมพ์ ใช้แรงดันและอุณหภูมิคงที่กับถุงลมนิรภัยพลาสติกภายใน ตั้งค่าคงที่ ถึงเวลาที่จะทำให้มันแข็งตัว
- Cooling and demolding: ทำให้แม่พิมพ์ที่ถูกกดร้อนเป็นระยะเวลาหนึ่งเย็นลง จากนั้นจึงเปิดแม่พิมพ์และสาธิตแม่พิมพ์
- การแปรรูปและการขึ้นรูป: ต้องทำความสะอาดผลิตภัณฑ์หลังจากการถอดแบบ และพลาสติกที่เหลือจะต้องขูดออกด้วยแปรงเหล็กหรือแปรงทองแดง จากนั้นเป่าทำความสะอาดด้วยลมอัด ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปควรได้รับการขัดเงาเพื่อให้พื้นผิวเรียบและเป็นระเบียบเรียบร้อย
- คุณสมบัติ: เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก คุณภาพคงที่ แต่ต้นทุนการผลิตสูงและการลงทุนขนาดใหญ่
2. วิธีการเคลือบด้วยมือ
- ขั้นตอนการทำงาน: ตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ที่ชุบกาวแล้ววางซ้อนกัน หรือทาเรซินที่ด้านหนึ่งของชั้น แล้วจึงกดด้วยความร้อน
- คุณสมบัติ: สามารถเลือกทิศทาง ขนาด และความหนาของเส้นใยได้ตามต้องการ วิธีการก็ง่ายและต้นทุนต่ำ สามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่ ราคาสินค้าต่ำแต่คุณภาพค่อนข้างไม่ดีเท่ากับสินค้าที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูป
3. วิธีการขึ้นรูปแบบคดเคี้ยว
- ขอบเขตการใช้งาน: การพันเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์คาร์บอนไฟเบอร์บนเพลาคาร์บอนไฟเบอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตกระบอกสูบและภาชนะกลวง โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตท่อคาร์บอนไฟเบอร์
4. วิธีการอัดขึ้นรูปและการวาดแบบ
- ขั้นตอนการทำงาน: ขั้นแรก แทรกซึมเข้าไปในคาร์บอนไฟเบอร์อย่างสมบูรณ์ กำจัดเรซินและอากาศโดยการอัดขึ้นรูปและการดึง จากนั้นจึงบ่มและขึ้นรูปในเตาเผา
- คุณสมบัติ: เรียบง่าย เหมาะสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนที่มีรูปร่างเป็นแท่งและท่อ