الیاف کربن

شرایط مورد بحث در طول فرآیند پلیمریزاسیون تا ساختار گرافیتی، به دقت انتخاب و کنترل می‌شوند. در طول این فرآیند عناصر غیر کربنی بصورت گاز خارج شده، اجزاء کربنی باقی می‌مانند. مهمترین شکل الیاف کربن، پارچه است که در بافتهای مختلف وجود دارد.
اگرچه اکثر الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت از جنس شیشه می‌باشد ولی مدول آن نسبتا پایین است. در سالهای پیش تلاشهای زیادی انجام گرفت تا تقویت کننده‌های جدیدی با تبدیل حرارتی الیاف آلی به الیاف کربن ساخته شود.

الیاف حاصل به سرعت کاربرد وسیعی در کامپوزیتهای فنولیکی به منظور استفاده در عایقهای فداشونده در صنایع نظامی پیدا کرد. مشخصه الیاف کربن، سبکی، استحکام و سفتی بالا می‌باشد. همه انواع الیاف کربن از پیرولیز الیاف آلی در یک محیط خنثی بدست می آید. سه منبع مهم عمده برای ساخت الیاف کربن وجود دارد:

پلی اکریلونیتریل (pan) رایون و قیر

طرز تهیه:

کوپلیمر متیل اکریلات و ایتاکونیک اسید

اکسیداسیون الیاف اکریلیک، به منظور تثبیت شکل الیاف به هنگام فرآیند کربنیزه کردن است.

 

اولین مرحله در تولید الیاف کربن با استفاده از PAN شامل کشش و اکسیداسیون می‏باشد در این مرحله ابتدا الیاف تحت گرما بین ۱۳۰۰ – ۵۰۰ درصد کشیده می‏شوند که این امر باعث آرایش‏‏‏یابی بهتر زنجیره‏های ملکولی در جهت الیاف می‏شود. سپس در حالیکه هنوز الیاف تحت تنش هستند در مجاورت هوا تا دمای°C 280 – 200 برای چند ساعتی حرارت داده می‏شوند این امر باعث جابجایی درون ملکولی و تشکیل زنجیره‏های نردبان مانند می‏گردد. در این مرحله عمل اکسیداسیون نیز صورت می‏گیرد و تقریباً بیشتر گروههای CH₂ اکسیده می‏شوند. در مرحله بعد الیاف اکسیده شده، با حرارت دادن در دمای°C 1200-900 و در محیط خنثی (تحت گاز نیتروژن یا آرگون) کربونیزه می‏شوند. تنش وارده به الیاف از جمع‏شدگی (shrinkage) آنها جلوگیری می‏کند و به آرایش ملکولی بهتر کمک می‏نماید. در این مرحله با حذف بیشتر اتمهای اکسیژن و نیتروژن، الیاف عمدتاً حاوی اتمهای کربن خواهند بود که در حلقه‏های شش وجهی مستقر در صفحات نسبتا موازی قرار گرفته‏اند. الیاف حاصل از این مرحله عمدتا متخلخل‏اند و دانسیته الیاف در این حالت حدود g/cm3 74/1 می‏باشد. الیاف حاصل از این مرحله دارای مدول نسبتا کم و استحکام بالا می‏باشند.

در مرحله سوم عمل اصلاح حرارتی (heat treatment) بر روی الیاف مرحله دوم در محیط خنثی و در دمای °C2800 صورت می‏گیرد که نتیجه آن نظم بیشتر ساختمان کریستالی الیاف می‏باشد. این مرحله را گرافیته‏کردن می‏نامند ودر این مرحله با کاهش میزان تخلخل الیاف دانسیته آنها تا g/cm³2 افزایش می‏یابد و الیافی با مدول بالا اما استحکام کششی کمتر از مرحله دوم بدست می‏آیند. راندمان تولید الیاف با استفاده از PAN حدود ۵۰% می‏باشد.

شکلهای مختلف الیاف از قبیل رشته، پارچه و الیاف کوتاه از این ماده وجود دارد.

در ابتدا دو نوع الیاف کربن با پایه pan وجود داشت که استحکام و مدول آنها با هم تفاوت داشت:

الیاف کربن با استحکام بالا (strength ( Highیا HSکه از فرآورش در دمای ^OC 1500 بدست می‌آمد و بعنوان نوع دو درجه‌بندی می‌شد.

با افزایش دمای فرآورش، مدول نیز افزایش می‌یافت و نوع مدول بالای این الیاف (Modulus High ) یا HM که نوع یک درجه بندی می‌شد در دمای بالاتر ازدو هزار و پانصد درجه تولید می‌شد.

با اعمال کمی کشش و افزایش آرایش یافتگی و با کاهش قطر الیاف از ۷ به ۵ میکرومتر، استحکام و مدول الیاف افزایش می‌یابد. این الیاف، الیاف با مدول متوسط (modulus Intermediate) یا IM نام دارد. در جدول زیر برخی خواص این الیاف مشاهده می‌شود.

 

Properties	Strength, GPa	Modulus, GPa	Failure Strain
High Strength (HS) Type I	۳٫۰-۳٫۳	۲۲۰-۲۴۰	۱٫۳-۱٫۴
High Modulus (HM), Type II	۲٫۳-۲٫۶	۳۳۰-۳۵۰	۱٫۳-۱٫۴
Intermediate Modulus (IM)	۲٫۹-۳٫۲	۲۸۰-۳۰۰	۱٫۰

pitch) itaconic) یک ماده اولیه تولید الیاف کربن می‌باشد. این ماده در یک محیط آبی سنتز شده و با فیلتراسیون جدا می‌شود. سپس کوپلیمر حاصل، با سرعت چرخش و کشش کنترل شده، به روش ریسندگی مرطوب تبدیل به لیف می‌شود. بدینوسیله میزان آرایش الیاف را کنترل می‌کنند و هرچه بیشتر باشد مدول لیف نهایی بالاتر است.

مراحل تولید الیاف کربن در این روش عبارتند از :کوپلیمریزاسیون، اکسیداسیون، کربنیزه کردن و گرافیته کردنc 200 انجام می‌شود. این کار اجازه می‌دهد آرایش القا شده به هنگام کشش در الیاف حفظ شود.c 2500 انجام می‌گیرد.filamant winding )، پلتروژن و فرآیند پاشش رزین (spray up)

۲-‌ پیش آغشته (prepreg) تک جهته برای لایه گذاری
۳-‌ الیاف خرد برای تزریق یا قالبگیری فشاری
۴‌-‌ نوار پیوسته برای پلتروژن
۵-‌ پارچه بافته برای قالبگیری انتقال رزین (RTM) یا لایه گذاری

دو نوع مختلف الیاف کربن در شکل دیده می‌شود: الیاف کربن تولید شده، ذاتا چسبندگی کافی به پلیمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقویت کنندگی خوبی نشان نشان نمی‌دهند. بنابراین اصلاح سطح یک مرحله ضروری در آماده سازی الیاف می‌باشد.

روشهای مختلفی برای اصلاح سطح الیاف کربن وجود دارد، ولی معمولا اکسیداسیون آنودیک در یک الکترولیت آبی مانند بی کربنات آمونیم، ترجیح داده می‌شود. اکسیداسیون پلاسما نیز بکار می‌رود ولی به لحاظ تجاری رایج نشده است.

معمولاَ الیاف کربن موجود در بازار اصلاح شده است ولی در موارد خاص می‌توان الیاف بدون اصلاح سطح نیز تهیه کرد.

فروشگاه ایران کامپوزیت, عرضه کننده انواع الیاف کربن و پارچه کربن

http://ircomposite.ir