Hoe wordt koolstofvezel gemaakt?

Ook wel grafietvezel of koolstofgrafiet genoemd, koolstofvezel bestaat uit zeer dunne strengen van het element koolstof. Koolstofvezels hebben een hoge treksterkte en zijn zeer sterk voor hun grootte. Koolstofvezel is misschien wel het sterkste materiaal dat er is.

Elke vezel heeft een diameter van 5-10 micron. Om een ​​idee te geven hoe klein dat is, is één micron (um) 0,000039 inch. Een streng spinnenwebzijde ligt meestal tussen 3-8 micron.

Koolstofvezels zijn twee keer zo stijf als staal en vijf keer zo sterk als staal (per gewichtseenheid). Ze zijn ook zeer chemisch resistent en hebben een hoge temperatuurstolerantie met lage thermische uitzetting.

Koolstofvezels zijn belangrijk in technische materialen, ruimtevaart, hoogwaardige voertuigen, sportuitrusting en muziekinstrumenten - om maar een paar van hun toepassingen te noemen.

Grondstoffen

Koolstofvezel is gemaakt van organische polymeren, die bestaan ​​uit lange reeksen moleculen die bij elkaar worden gehouden door koolstofatomen. De meeste koolstofvezels (ongeveer 90 procent) zijn gemaakt van het polyacrylonitril (PAN) -proces. Een kleine hoeveelheid (ongeveer 10 procent) wordt vervaardigd uit rayon of het aardoliepekproces. Gassen, vloeistoffen en andere materialen die in het productieproces worden gebruikt, creëren specifieke effecten, kwaliteiten en kwaliteiten van koolstofvezel. De hoogste kwaliteit koolstofvezel met de beste modulus-eigenschappen wordt gebruikt in veeleisende toepassingen zoals ruimtevaart.

Fabrikanten van koolstofvezel verschillen van elkaar in de combinaties van grondstoffen die zij gebruiken. Ze behandelen hun specifieke formuleringen meestal als handelsgeheimen.

Productieproces

In het productieproces worden de grondstoffen, die voorlopers worden genoemd, getrokken in lange strengen of vezels. De vezels zijn geweven tot stof of gecombineerd met andere materialen die zijn gewikkeld of gevormd tot gewenste vormen en maten.

Er zijn typisch vijf segmenten in de productie van koolstofvezels uit het PAN-proces. Dit zijn:

1. Spinning. PAN gemengd met andere ingrediënten en gesponnen tot vezels, die worden gewassen en uitgerekt.
2. Stabiliseren. Chemische verandering om de binding te stabiliseren.
3. Verkolen. Gestabiliseerde vezels verhit tot zeer hoge temperatuur en vormen strak gebonden koolstofkristallen.
4. Het oppervlak behandelen. Het oppervlak van vezels geoxideerd om de bindingseigenschappen te verbeteren.
5. Sizing. Vezels worden gecoat en op klossen gewikkeld, die op spinmachines worden geladen die de vezels tot garens van verschillende grootte draaien. In plaats van tot stoffen te worden geweven, kunnen vezels tot composieten worden gevormd. Om composietmaterialen te vormen, bindt warmte, druk of vacuüm vezels samen met een kunststofpolymeer.

Productie-uitdagingen

De productie van koolstofvezels brengt een aantal uitdagingen met zich mee, waaronder:

• De behoefte aan rendabeler herstel en reparatie.
• Het oppervlaktebehandelingsproces moet zorgvuldig worden gereguleerd om te voorkomen dat er putten ontstaan ​​die kunnen leiden tot defecte vezels.
• Nauwkeurige controle vereist om een ​​constante kwaliteit te garanderen.
• Gezondheid en veiligheid
• Huidirritatie
• Ademhalingsirritatie
• Vlammen en kortsluitingen in elektrische apparatuur vanwege de sterke elektrogeleidbaarheid van koolstofvezels.

Toekomst van koolstofvezel

Vanwege de hoge treksterkte en het lichte gewicht beschouwen velen koolstofvezel als het belangrijkste productiemateriaal van onze generatie. Koolstofvezel kan een steeds belangrijkere rol spelen op gebieden zoals:

• Energie: Windmolenbladen, aardgasopslag en transport, brandstofcellen.
• auto's: Momenteel wordt koolstofvezeltechnologie alleen gebruikt voor krachtige voertuigen en wordt het steeds breder gebruikt. In december 2011 kondigde General Motors aan dat het werkt aan koolstofvezelcomposieten voor massaproductie van auto's.
• Bouw: Lichtgewicht prefab beton, bescherming tegen aardbevingen.
• Aircraft: Defensie en commerciële vliegtuigen. Onbemande luchtvoertuigen.
• Olie-exploratie: Diepwaterboorplatforms, boorpijpen.
• Koolstof nanobuisjes: Halfgeleidermaterialen, ruimtevaartuigen, chemische sensoren en ander gebruik.

In 2015 had koolstofvezel een marktomvang van $ 2,25 miljard. Door projecties groeit de markt naar $ 31 miljard in 2024. Om dit te bereiken, moeten de kosten worden verlaagd en moeten nieuwe toepassingen worden gericht.