Arten von Kohlenstofffasern und der Herstellungsprozess

Kohlenstofffasern  (CF) sind Fasern mit einem Durchmesser von etwa 5–10 Mikrometern, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen.

Carbonfasern haben mehrere Vorteile:

• hohe Steifigkeit ,
• hohe Zugfestigkeit ,
• geringes Gewicht und
• hohe chemische Beständigkeit .

Nachdem Sie diesen Beitrag gelesen haben, kennen Sie die Haupt-Klassifizierung von Kohlefasern, welche Rohstoffe erforderlich sind, und erfahren Sie mehr über den detaillierten Herstellungsprozess.

Vor diesem Hintergrund können Sie die Qualität von Kohlefaserprodukten schnell erkennen und den gesamten Herstellungsprozess effizienter erfassen.

1. Die allgemeine Klassifizierung von Kohlenstofffasern

A. Basierend auf Zugmodul

Zugmodul der Faser ist das Schlüsselkriterium zur Klassifizierung von Kohlenstofffasern.

Zugmodul ist im Grunde die Abkürzung für „Elastizitätsmodul“. “, was ein Maß dafür bedeutet, wie steif eine Faser mit einem bestimmten Durchmesser oder der Dehnungswiderstand ist, je höher die Zahl, desto steifer die Faser.

B. Basierend auf aufsteigender Reihenfolge des Zugmoduls

Andere Klassifikationen, in aufsteigender Reihenfolge des Zugmoduls umfassen „Standardmodul“, „mittleres Modul“, „hohes Modul“ und „ultrahohes Modul“.

Zum Beispiel haben Kohlenstoffasern mit ultrahohem Modul einen Zugmodul von 500 Millionen bis 1,0 Milliarden kPa. Zum Vergleich:Stahl hat einen Zugmodul von etwa 200 Millionen kPa. Daher die stärkste Kohlefaser ist etwa fünfmal stärker als die von Stahl .

2. Welche Rohstoffe werden für den Herstellungsprozess benötigt?

Der Rohstoff, aus dem Carbonfasern hergestellt werden, ist der Vorläufer .

A. Polyacrylnitril

Etwa 90 % der Carbonfasern bestehen aus Polyacrylnitril .

B. Kunstseide oder Petroleumpech

Dann sind die restlichen 10 % aus Viskose oder Erdölpech . Alle diese Materialien sind organische Polymere, die durch lange Ketten von Molekülen gekennzeichnet sind, die durch Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind.

C. Gas und Flüssigkeiten

Während des Herstellungsprozesses entstehen eine Vielzahl von Gase und Flüssigkeiten sind unverzichtbar.

Einige dieser Materialien sollten mit der Faser reagieren, um eine bestimmte Wirkung zu erzielen. Andere Materialien müssen jedoch nicht mit der Faser reagieren oder bestimmte Reaktionen verhindern.

Wie bei den Vorprodukten sind die genauen Zusammensetzungen vieler dieser Prozessmaterialien Betriebsgeheimnisse.

3. Der Herstellungsprozess von Kohlefaser

Der Prozess zur Herstellung von Kohlenstofffasern ist teilweise chemisch und teilweise mechanisch .

Der Vorläufer wird zu langen Strängen oder Fasern gezogen und dann auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, damit er nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt.

Ohne der Sauerstoff , die Faser kann nicht brennen. Stattdessen bringt die hohe Temperatur die Atome in der Faser dazu, heftig zu vibrieren, bis die meisten der Nicht-Kohlenstoffatome ausgestoßen werden .

Dieser Prozess ist Karbonisierung und hinterlässt eine Faser, die aus langen, eng miteinander verbundenen Ketten von Kohlenstoffatomen besteht, wobei nur wenige Nicht-Kohlenstoffatome übrig bleiben.

In den folgenden Abschnitten des Beitrags stellen wir Ihnen eine typische Abfolge von Arbeitsschritten vor, die zur Bildung von Kohlenstofffasern aus Polyacrylnitril verwendet werden.

3.1 Drehen

1) Mischen Acylonitril-Kunststoffpulver mit einem anderen Kunststoff (Methylacrylat oder Methylmethacrylat).

2) Reagiert mit einem Katalysator in einem herkömmlichen Suspensions- oder Lösungspolymerisationsverfahren, um einen Polyacrylnitril-Kunststoff zu bilden.

3) Der Kunststoff wird dann zu Fasern gesponnen, die gewaschen werden und gedehnt .

3.2 Stabilisierung

1) Vor dem Karbonisieren müssen Fasern chemisch verändert werden, um ihre lineare Atombindung in eine thermisch stabilere Leiterbindung umzuwandeln.

2) Stabilisieren durch Erhitzen der Fasern in Luft auf etwa 200–300°C (390-590° F) für 30-120 Minuten.

3.3 Karbonisieren

1) Sobald der Stabilisierungsprozess abgeschlossen ist, werden die Fasern auf eine Temperatur von etwa 1.000–3.000 °C erhitzt (1.830-5.500 °F) für mehrere Minuten in einem Ofen, der mit einem Gasgemisch gefüllt ist, das keinen Sauerstoff enthält.

2) Der Gasdruck im Inneren des Ofens wird höher gehalten als der Außenluftdruck und die Punkte, an denen die Fasern in den Ofen eintreten und ihn verlassen, sind abgedichtet, um zu verhindern, dass Sauerstoff eindringt .

3.4 Behandlung der Oberfläche

Nach dem Karbonisieren haben die Fasern eine Oberfläche, die sich nicht gut mit den Epoxiden und anderen Materialien verbindet, die in Verbundmaterialien verwendet werden. Um den Fasern bessere Bindungseigenschaften zu verleihen , ihre Oberfläche ist leicht oxidiert .

3.5 Größenanpassung

1) Nach der Oberflächenbehandlung werden die Fasern beschichtet, um sie vor Beschädigungen beim Wickeln oder Weben zu schützen. Dieser Vorgang wird als Dimensionierung bezeichnet .

Beschichtungsmaterialien werden so ausgewählt, dass sie mit dem Klebstoff kompatibel sind, der zum Bilden von Verbundmaterialien verwendet wird. Typische Beschichtungsmaterialien umfassen Epoxid, Polyester, Nylon, Urethan und andere.

2) Die beschichteten Fasern werden auf Zylinder gewickelt, die Spulen genannt werden . Die Spulen werden in eine Spinnmaschine geladen und die Fasern werden zu Garnen unterschiedlicher Größe gezwirnt.

Das sind die grundlegenden Informationen über den Herstellungsprozess von Kohlenstofffasern, und wir hoffen aufrichtig, dass sie hilfreich sind. Zögern Sie nicht, unten einen Kommentar zu hinterlassen, wenn Sie Fragen haben.

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