Koolstofvezel Variëteiten en Productieprocessen

Koolstofvezels (CF) zijn vezels van ongeveer 5–10 micrometer in diameter en bestaan voornamelijk uit koolstofatomen.

Koolstofvezels bieden diverse voordelen:

• hoge stijfheid,
• hoge trekkracht,
• laag gewicht en
• hoge chemische weerstand.

Na het lezen van dit artikel kent u de belangrijkste classificatie van koolstofvezels, de benodigde grondstoffen en het gedetailleerde productieproces.

Hierdoor kunt u de kwaliteit van koolstofvezelproducten sneller beoordelen en het volledige productieproces efficiënter begrijpen.

1. Algemene classificatie van koolstofvezels

A. Op basis van trekmodulus

De trekmodulus van de vezel is het belangrijkste criterium voor de classificatie van koolstofvezels.

De trekmodulus is de afkorting voor elasticiteitsmodulus, een maat voor de stijfheid van een vezel met een bepaalde diameter, of de weerstand tegen rekken. Hoe hoger het getal, hoe stijver de vezel.

B. Op basis van oplopende trekmodulus

Andere classificaties, in oplopende volgorde van trekmodulus, zijn: "standaardmodulus", "tussenmodulus", "hoge modulus" en "ultrahoge modulus".

Bijvoorbeeld: ultrahoge modulus koolstofvezels hebben een trekmodulus van 500 miljoen tot 1,0 miljard kPa. Ter vergelijking: staal heeft een trekmodulus van ongeveer 200 miljoen kPa. De sterkste koolstofvezel is dus ongeveer vijf keer sterker dan staal.

2. Welke grondstoffen zijn nodig voor het productieproces?

De grondstof voor koolstofvezel is de precursor.

A. Polyacrylonitril (PAN)

Ongeveer 90% van de koolstofvezels wordt gemaakt uit polyacrylonitril.

B. Rayon of petroleumpech

De overige 10% komt van rayon of petroleumpech. Al deze materialen zijn organische polymeren, gekenmerkt door lange ketens van moleculen die door koolstofatomen aan elkaar gebonden zijn.

C. Gassen en vloeistoffen

Tijdens het productieproces zijn diverse gassen en vloeistoffen onmisbaar.

Sommige van deze materialen moeten reageren met de vezel om een specifiek effect te bereiken. Andere materialen hoeven niet te reageren of dienen juist bepaalde reacties met de vezel te voorkomen.

Net als bij de precursors zijn de exacte samenstellingen van veel van deze procesmaterialen bedrijfsgeheimen.

3. Het productieproces van koolstofvezel

Het proces voor het maken van koolstofvezels is deels chemisch en deels mechanisch.

De precursor wordt in lange strengen of vezels getrokken en vervolgens verhit tot een zeer hoge temperatuur, zonder contact met zuurstof.

Zonder zuurstof kan de vezel niet verbranden. In plaats daarvan zorgt de hoge temperatuur ervoor dat de atomen in de vezel hevig gaan trillen, waardoor de meeste niet-koolstofatomen worden uitgejaagd.

Dit proces heet verkooling en resulteert in een vezel samengesteld uit lange, dicht vergrendelde ketens van koolstofatomen met slechts enkele niet-koolstofatomen over.

In de volgende alinea's beschrijven we een typische reeks operaties om koolstofvezels te vormen uit polyacrylonitril.

3.1 Spinnen

1) Mengen van acrylonitrilkunststofpoeder met een andere kunststof (methylacrylaat of methylmethacrylaat).

2) Reageren met een katalysator in een conventionele suspensie- of oplossingspolymereisatie om polyacrylonitrilkunststof te vormen.

3) De kunststof wordt vervolgens gesponnen tot vezels, die gewassen en gerekt worden.

3.2 Stabiliseren

1) Voordat de verkooling plaatsvindt, moeten de vezels chemisch worden gewijzigd om hun lineaire atomaire binding om te zetten in een thermisch stabielere ladderbinding.

2) Stabilisatie wordt bereikt door de vezels in lucht te verwarmen tot ongeveer 200-300 °C (390-590 °F) gedurende 30-120 minuten.

3.3 Verkoolen (Carboniseren)

1) Na de stabilisatie worden de vezels verhit tot een temperatuur van ongeveer 1.000-3.000 °C (1.830-5.500 °F) gedurende verschillende minuten in een oven gevuld met een gasmengsel zonder zuurstof.

2) De gasdruk binnenin de oven wordt hoger gehouden dan de buitenluchtdruk, en de toegangspunten waar de vezels de oven binnen- en uitgaan worden afgedicht om zuurstof buiten te houden.

3.4 Oppervlaktebehandeling

Na de verkooling hebben de vezels een oppervlak dat slecht bindt met epoxy's en andere materialen die in composieten worden gebruikt. Om de hechtingseigenschappen te verbeteren, wordt het oppervlak licht geoxideerd.

3.5 Sizing (Impregneren)

1) Na de oppervlaktebehandeling worden de vezels gecoat om ze te beschermen tegen schade tijdens wikkelen of weven. Dit proces heet sizing.

Coatingmaterialen worden gekozen op basis van compatibiliteit met de lijm die voor composietmaterialen wordt gebruikt. Typische coatingmaterialen zijn epoxy, polyester, nylon, urethane en anderen.

2) De gecoate vezels worden op cilinders genaamd spoelen gewikkeld. De spoelen worden in een spinnmachine geladen en de vezels worden gedraaid tot garens van diverse afmetingen.

Dit was de basisinformatie over het productieproces van koolstofvezels. Wij hopen dat dit nuttig is. Aarzel niet om een reactie te achterlaten als u vragen heeft.

Let op: Wij bezitten niet de rechten op de afbeeldingen in dit artikel. Neem contact op als deze aan u toebehoren, dan verwijderen wij ze zo snel mogelijk.