Ako sa vyrába uhlíkové vlákno?
Výroba, použitie a budúcnosť tohto pevného a ľahkého materiálu
- / AFP / Getty Images
Tiež nazývané grafitové vlákno alebo uhlíkový grafit, uhlíkové vlákno pozostáva z veľmi tenkých vlákien prvku uhlíka. Tieto vlákna majú vysokú pevnosť v ťahu a sú extrémne pevné na svoju veľkosť. V skutočnosti jedna forma uhlíkových vlákien - uhlíkové nanorúrky -považuje sa za najpevnejší dostupný materiál. Uhlíkové vlákno aplikácie zahŕňajú stavebníctvo, strojárstvo, letectvo, vysokovýkonné vozidlá, športové vybavenie a hudobné nástroje. V oblasti energetiky sa uhlíkové vlákna využívajú pri výrobe lopatiek veterných mlynov, skladovaní zemného plynu a palivových článkoch na prepravu. V leteckom priemysle má uplatnenie vo vojenských a komerčných lietadlách, ako aj v bezpilotných lietadlách. Na prieskum ropy sa používa pri výrobe hlbinných vrtných plošín a potrubí.
Rýchle fakty: Štatistika uhlíkových vlákien
- Každý prameň uhlíkového vlákna má priemer päť až 10 mikrónov. Aby ste mali predstavu o tom, aké malé to je, jeden mikrón (um) je 0,000039 palca. Jeden prameň pavučinového hodvábu má zvyčajne tri až osem mikrónov.
- Uhlíkové vlákna sú dvakrát tuhšie ako oceľ a päťkrát pevnejšie ako oceľ (na jednotku hmotnosti). Sú tiež vysoko chemicky odolné a majú toleranciu voči vysokým teplotám s nízkou tepelnou rozťažnosťou.
Suroviny
Uhlíkové vlákno je vyrobené z organických polymérov, ktoré pozostávajú z dlhých reťazcov molekúl držaných pohromade atómami uhlíka. Väčšina uhlíkových vlákien (asi 90 %) je vyrobená z procesu polyakrylonitrilu (PAN). Malé množstvo (asi 10 %) sa vyrába z umelého hodvábu alebo procesom z ropnej smoly.
Plyny, kvapaliny a iné materiály používané vo výrobnom procese vytvárajú špecifické efekty, kvality a triedy uhlíkových vlákien. Výrobcovia uhlíkových vlákien používajú patentované receptúry a kombinácie surovín pre materiály, ktoré vyrábajú, a vo všeobecnosti považujú tieto špecifické prípravky za obchodné tajomstvo.
Najkvalitnejšie uhlíkové vlákna s najefektívnejším modulom (konštanta alebo koeficient používaný na vyjadrenie číselnej miery, do akej látka má konkrétnu vlastnosť, ako je elasticita) vlastnosti sa používajú v náročných aplikáciách, ako je letectvo.
Výrobný proces
Vytváranie uhlíkových vlákien zahŕňa chemické aj mechanické procesy. Suroviny, známe ako prekurzory, sa ťahajú do dlhých prameňov a potom sa zahrievajú na vysoké teploty v anaeróbnom (bezkyslíkovom) prostredí. Extrémne teplo skôr ako horenie spôsobuje, že atómy vlákna vibrujú tak prudko, že takmer všetky neuhlíkové atómy sú vypudené.
Po dokončení procesu karbonizácie sa zostávajúce vlákno skladá z dlhých, tesne prepojených reťazcov uhlíkových atómov, z ktorých zostáva len málo alebo žiadne neuhlíkové atómy. Tieto vlákna sú následne tkané do tkaniny alebo kombinované s inými materiálmi, ktoré sú potom navinuté alebo tvarované do požadovaných tvarov a veľkostí.
Nasledujúcich päť segmentov je typických v procese PAN na výrobu uhlíkových vlákien:
- Potreba nákladovo efektívnejšej obnovy a opravy
- Neudržateľné výrobné náklady pre niektoré aplikácie: Napríklad, aj keď je nová technológia vo vývoji, v dôsledku neúmerných nákladov je používanie uhlíkových vlákien v automobilovom priemysle v súčasnosti obmedzené na vysokovýkonné a luxusné vozidlá.
- Proces povrchovej úpravy musí byť starostlivo regulovaný, aby sa predišlo tvorbe jamiek, ktoré vedú k chybným vláknam.
- Na zabezpečenie konzistentnej kvality je potrebná dôkladná kontrola
- Otázky zdravia a bezpečnosti vrátane podráždenia pokožky a dýchania
- Iskrenie a skraty v elektrických zariadeniach v dôsledku silnej elektrickej vodivosti uhlíkových vlákien
- McConnell, Vicki. ' Výroba uhlíkových vlákien .' CompositeWorld . 19. december 2008
- Sherman, Don. ' Beyond Carbon Fiber: Ďalší prelomový materiál je 20-krát silnejší. ' Auto a vodič. 18. marca 2015
- Randall, Danielle. Výskumníci z MIT spolupracujú s Lamborghini na vývoji elektromobilu budúcnosti . MITMECHE/In The News: Katedra chémie. 16. novembra 2017
- „Trh uhlíkových vlákien podľa surovín (PAN, Pitch, Rayon), typu vlákna (panenského, recyklovaného), typu produktu, modulu, aplikácie (kompozitný, nekompozitný), priemyslu konečného použitia (A & D, Automobilový priemysel, Veterná energia ) a región – globálna predpoveď do roku 2029.“ Trhy a trhy. september 2019
Uhlíkové nanorúrky sa vyrábajú iným procesom ako štandardné uhlíkové vlákna. Odhaduje sa, že sú 20-krát silnejšie ako ich prekurzory, nanorúrky sa kujú v peciach, ktoré využívajú lasery na odparovanie uhlíkových častíc.
Výrobné výzvy
Výroba uhlíkových vlákien so sebou nesie množstvo výziev, vrátane:
Budúcnosť uhlíkových vlákien
Ako sa technológia uhlíkových vlákien neustále vyvíja, možnosti uhlíkových vlákien sa budú len diverzifikovať a zvyšovať. Na Massachusettskom technologickom inštitúte už niekoľko štúdií zameraných na uhlíkové vlákna ukazuje veľký prísľub na vytvorenie novej výrobnej technológie a dizajnu, ktorý by uspokojil vznikajúci dopyt priemyslu.
Docent strojného inžinierstva na MIT John Hart, priekopník nanorúriek, pracuje so svojimi študentmi na transformácii technológie výroby, vrátane skúmania nových materiálov, ktoré sa majú použiť v spojení s komerčnou 3D tlačiarňami. „Požiadal som ich, aby mysleli úplne mimo; ak by dokázali predstaviť 3-D tlačiareň, ktorá nikdy predtým nebola vyrobená, alebo užitočný materiál, ktorý nie je možné vytlačiť pomocou súčasných tlačiarní,“ vysvetlil Hart.
Výsledkom boli prototypy strojov, ktoré tlačili roztavené sklo, mäkkú zmrzlinu a kompozity z uhlíkových vlákien. Študentské tímy podľa Harta vytvorili aj stroje, ktoré by zvládli veľkoplošnú paralelnú extrúziu polymérov a vykonali in situ optické skenovanie procesu tlače.
Okrem toho Hart spolupracoval s docentom chémie MIT Mirceom Dincom na nedávno uzavretej trojročnej spolupráci s Automobili Lamborghini s cieľom preskúmať možnosti nových uhlíkových vlákien a kompozitných materiálov, ktoré by jedného dňa mohli nielen „umožniť, aby bola celá karoséria auta používané ako batériový systém“, ale vedú k „ľahším, pevnejším karosériám, efektívnejším katalyzátorom, tenšiemu laku a zlepšenému prenosu tepla hnacieho ústrojenstva [celkovo]“.
S takými úžasnými objavmi na obzore niet divu, že sa predpokladá, že trh s uhlíkovými vláknami vzrastie zo 4,7 miliardy USD v roku 2019 na 13,3 miliardy USD do roku 2029, pri zloženom ročnom raste (CAGR) 11,0 % (alebo o niečo vyššom). rovnaké časové obdobie.