روش‌های تولید الیاف کربنی
الیاف کربن از طریق پیرولیز مبناهای آلی که به شکل الیاف هستند، تولید می‌شوند. ویژگی فیزیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت‌گیری الیاف پیش‌زمینه یا مبنا و کاهش ضعف‌های موجود، بهبود می‌یابند. به این ترتیب، مناسب‌ترین روش در فرایند تولید الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف مبنا با بیشترین مقدار جهت‌گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش است. الیاف آکریلیک به دلیل داشتن بیش از ۵۵ درصد کربن در ساختار خود، یکی از بهترین پیش‌زمینه‌ها جهت تولید الیاف کربن است. از همین رو، چرخه تولید بیشتر این موارد بدون هرگونه شک و تردیدی الیاف آکریلیک هستند که سهم بسیار بزرگی را هم در صنعت به خود اختصاص می‌دهند.
بیشتر بخوانید : الیاف طبیعی و مصنوعی
تولید الیاف کربن بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل
پروسه تولید این الیاف بر اساس سه مرحله کلی انجام می‌شود:
فاز پایدارسازی اکسیداسیونی
در این مرحله الیاف آکریلیک هم‌زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.
فاز کربونیزاسیون
پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می‌گیرند.
فاز گرافیتاسیون
با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی 1500 تا 3000 درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهت‌گیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.
بیشتر بخوانید: الیاف و ترموپلاستک ها
برخی از نکات قابل ذکر راجع به پروسه ساخت این الیاف:
فرایند تولید الیاف کربن بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها نیز، مشابه مراحل فوق است.
مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است.
در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره‌ای خطی به ساختار صفحه‌ای تغییر می‌کند.
فیبر کربن استفاده شده در شاشی خودروها در این نمونه شاسی از جنس آلومینیوم است که با فیبر کربن تقویت شده است؛ با این کار می‌توان از خاصیت نرمی آلومینیوم استفاده کرده و تردی فیبر کربن را تا حدودی خنثی کرد.
هر چه مقاومت کششی الیاف پیش‌زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی الیاف کربن به‌دست‌آمده بیشتر خواهد شد.
هرگاه مرحله پایدارسازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود.
در مجموع، مقاومت نهایی و گسیختگی الیاف کربن به نوع الیاف مبنای پیش‌زمینه، شرایط فرایند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.
نانو الیاف کربن
روش‌های متنوعی برای تولید نانو الیاف کربن وجود دارد. برای مثال برخی از این روش‌ها به شرح زیر هستند:
- رشد بخار
- قوس الکتریکی
- برش لیزر
- رسوب سازی با غبار شیمیایی
با این حال، این روش‌ها بسیار گران هستند که این به علت بازده تولید کم و قیمت بالای تجهیزات معمولاً مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. از سوی دیگر، روش‌هایی چون الکتروریسی، به‌آسانی الیافی با قطر μm10- nm20 را تولید می‌کند که این روش‌ها را غیرمنطقی جلوه می‌کنند.
انواع عملیات تولیدی
عملیات مختلفی بر روی پروسه تولیدی الیاف کربن صورت می‌پذیرند، که هرکدامشان در نوع خود مهم و حیاتی هستند. در ادامه، قصد داریم تا به بررسی برخی از این فرایندها بپردازیم:
عملیات حرارتی
عملیات حرارتی فرایندی است که در آن الیاف PAN اولیه را به الیاف کربن تبدیل می‌کنند. فرایند کردن در دماهای بالا سبب مدول بالاتر الیاف می‌شود چون با خارج شدن ناخالصی‌ها از الیاف به شکل مواد جانبی فرار تبدیل می‌شود. در طول عملیات حرارتی، الیاف منقبض شده و قطر آن‌ها کم می‌شود، که ساختار الیاف را بهبود بخشیده و به استحکام آن‌ها کمک می‌کند. پس از مراحل فوق از طریق خارج کردن محتوای نیتروژن آغازین از ماده اولیه PAN و تنظیم نیتروژن می‌توان شرایط مناسبی را برای بهبود الیاف فراهم کرد. از این پس، استحکام الیاف می‌توانند با بهره‌گیری از عملیات پرولیز حتی به بیش از Gpa400 نیز برسد.
واکنش اکسایش
فرایند اکسایش، کمترین فرایند در طول پایدارسازی PAN اولیه است که شدیدا به ماده اولیه بستگی دارد. از نظر تجاری، پایدارسازی الیاف PAN در یک محیط اکسنده که غالباً هواست انجام می‌شود. هنگامی‌که PAN در هوا پایدارسازی می‌شود، گرمازایی واکنش تا حدودی به واکنش با اکسیژن مرتبط خواهد بود. اگرچه پایدارسازی در یک محیط بی‌اثر نیز قابل انجام است، اما پلیمری که در زنجیر اصلی خود دارای گروه‌های حاوی اکسیژن باشد ساختارهای نردبانی را بازتر می‌کند. درنتیجه این فرایند نیز تحمل دماهای بالاتر در فرایند کربنیزاسیون بهتر شده و پایداری کلی فرایند بهبود خواهد یافت.
واکنش حلقوی شدن
مهم‌ترین واکنش در پایدارسازی الیاف PAN واکنش حلقوی است و از اهمیت بسیار زیادی هم برخوردار است. حلقوی شدن به‌منظور تشکیل یک پلیمر نردبانی با واکنش گروه‌های نیتریل در پلیمر اولیه با گروه‌های مجاور گفته می‌شود و آن را با معادله سینتیک درجه اول توصیف می‌کنند. حلقوی شدن مهم‌ترین واکنش در فرایند پایدارسازی است و این موضوع در مورد گروه‌های نیتریل یک واکنش گرمازا است که با تکامل محصولات بی‌دوام همراه است. این فرایند برای متصل نگه‌داشتن مولکول‌ها به یکدیگر و افزایش سختی لازم است و در فرایند پایدارسازی PAN سبب تغییر رنگ نیز می‌شود. البته نکات حیاتی دیگری نیز در این واکنش وجود دارند که توجه به آن‌ها از اهمیت بسیاری برخوردار است. مثلاً در طول فرایند پایدارسازی، ساختار PAN دستخوش فرایند حلقوی شدن می‌شود؛ و ساختار باند سه‌گانه به ساختار باند دوگانه تبدیل می‌شود.