Tabla de Contenidos
A szénszál , más néven grafitszál, olyan szintetikus szál, amely nagyon finom, 5-10 mikron átmérőjű polimer szálakból áll, amelynek fő eleme a szén. Több ezer ilyen vékony szál szövésével és feldolgozásával szénszálat kapnak. Ezek a szálak nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek, így vastagságukhoz képest rendkívül erősek. A szénszál egyik formáját, a szén nanocsövet tartják a legerősebb anyagnak, amely előállítható. Általában a szénszálak az acélhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, bár sokkal könnyebbek, sűrűségük hasonló a fához vagy a műanyaghoz.
A szénszálaknak számos felhasználási területe van: az építőiparban, az űrtechnológiában, a nagy teljesítményű járművekben, a különféle mérnöki alkalmazásokban, a sporteszközökben, a hangszerekben.
A szénszálaknak különféle energiával kapcsolatos alkalmazásai vannak, például szélturbinák lapátjainak készítése; Földgáztároló rendszerekben és járművek elektromos akkumulátoraiban is használják. A repülési iparban ezt az anyagot kereskedelmi és katonai repülőgépekben, valamint pilóta nélküli légi járművekben egyaránt használják. Emellett platformok és csövek gyártására is használják mélyvízi olajkutatáshoz és -kitermeléshez.
A szénszálakat alkotó szálak szerves polimerekből állnak: szénvegyületek hosszú láncaiból, amelyek ugyanazon molekula, az úgynevezett monomer ismétlődő egyesülésével jönnek létre . A legtöbb szénszál, mintegy 90%-a poliakrilnitrilből (PAN) készül. Ezt a polimert akrilnitrilből vagy propilén-nitrilből (C 3 H 3 N) állítják elő a következő ábrán látható reakcióban.
Az anyag gyártási folyamatának sajátos körülményei adják a szénszálak sajátos tulajdonságait. E feltételek egy része a felhasznált nyersanyagok, a folyamatok hőmérséklete (egyes szakaszokat magas hőmérsékletű kemencékben hajtanak végre) vagy a légkör, amelyben előállításuk történik (a folyamatok egy része oxigén hiányában megy végbe). A gyártási folyamatok a gyártók tulajdonát képezik, így a folyamat különböző aspektusai üzleti titkok. A legmagasabb minőségű szénszálat a leghatékonyabb rugalmassági modulussal használják a legigényesebb alkalmazásokban, például a repülőgépiparban.
Szénszál gyártási folyamatok
A szénszálak gyártása egyesíti a kémiai és a mechanikai folyamatokat. A szénszálak prekurzor nyersanyagát vékony szálakká állítják elő, amelyeket azután anaerob (oxigénmentes) atmoszférában magas hőmérsékletre hevítenek. A magas hőmérséklet az összes nem szénatom anyagának kilökődését okozza. Ily módon a karbonizációs folyamat során főként hosszú láncú szénatomokból álló szál keletkezik, amely az eredeti filamentumok összefonódásának terméke. Ezek a szálak azután szőhetők vagy keverhetők más anyagokkal, hogy más típusú szálat állítsanak elő, vagy különféle formájú és méretű formákká formázhatók. Lássuk az alábbiakban a szénszálak gyártásával kapcsolatos folyamatok sorrendjét.
fonal . A poliakrilnitrilt összekeverik más komponensekkel, és szálakká fonják, amelyek mosás után kibontakoznak.
stabilizálás . A szálak kémiai folyamatokon mennek keresztül, amelyek stabilizálják a vegyületeket.
szénsavasodás . A stabilizált szálakat nagyon magas hőmérsékletre, 1000 és 2500 Celsius fok közé hevítik hosszú ideig, anaerob atmoszférában. Így jön létre a szén kristályosodása egy magas kohéziós unióban.
Felületkezelés . A szálak felülete oxidálódik, hogy javítsa a szálak közötti kötést a következő fonás során.
alakú . A szálak kezelése és tekercselése csévékre történik, amelyeket olyan gépekbe töltenek, amelyek különböző vastagságú és mechanikai tulajdonságú szálakká csavarják őket. Ezek a szálak felhasználhatók szövetek szövésére, vagy kombinálhatók más anyagokkal, például hőre lágyuló polimerekkel olyan eljárásokban, amelyek hőt, nyomást vagy vákuumot alkalmaznak, hogy meghatározott formátumú és tulajdonságú részeket képezzenek.
A szén nanocsövek a szabványos szénszálaktól eltérő eljárásokkal készülnek, speciális kemencékben lézersugarakkal a karbonizációs folyamat során. A nanocsövek hússzor nagyobb ellenállást tudnak elérni, mint elődeik.
A folyamatok sorozatának befejezése után szénszálakat nyernek, amelyek mindegyike több ezer szénszálból áll majd; az egyes szálak szálainak száma 1000 és 24000 között változhat, ez minden esetben meghatározott gyártási jellemző.
Az így előállított szénszál szerkezete hasonló lesz a grafitéhoz, amely kristályos szerkezetű szénatomok egymásra helyezett lapjaivá bontakozik ki, amelyek mintázata hatszögletű. A grafittal ellentétben a szénszál amorf anyag, nem kristályos; a szénatomok egymást metsző lapokban helyezkednek el, ami ennek a szálnak a kivételes mechanikai ellenállását adja.
A szénszálas gyártási folyamatok számos kockázatot és kihívást hordoznak magukban. A gyártási költségek egyes alkalmazások esetében megfizethetetlenek; Például, bár ez egy fejlődő technológia, az autóipar túl magas költségei jelenleg korlátozzák a szénszálak használatát a nagy teljesítményű és luxusjárművekre.
A felületkezelési folyamatot gondosan szabályozni kell, hogy elkerüljük a szálhibás hibák kialakulását. Szigorú folyamatellenőrzés szükséges a termékminőség biztosításához. Ezek a folyamatok viszont egészségügyi és biztonsági problémákkal járnak, és légzőszervi és epidermális betegségeket okozhatnak. A szénszálak elektromos vezetők, így íveket és rövidzárlatokat generálhatnak az elektromos berendezésekben, ami ennek következtében kockázatot jelent.
Fejlődő technológia
Ahogy a szénszálas technológia folyamatosan fejlődik, felhasználási és alkalmazási lehetőségei egyre változatosabbak és bővülnek. A Massachusettsi Technológiai Intézetben (MIT) számos, a szénszálak gyártásával kapcsolatos tanulmányt dolgoznak ki, amelyek már ígéretesnek mutatkoznak az ipar igényeinek megfelelő új gyártási és tervezési technológiák létrehozásában.
Az MIT gépészmérnöki docense, John Hart, a nanocsövek úttörője diákjaival együtt dolgozott a gyártástechnológia átalakításán, beleértve a 3 nyomtatókhoz használható új anyagok felkutatását. Hart arra kérte tanítványait, hogy gondolkodjanak a dobozon kívül, és képzeljenek el olyan 3D nyomtatókat, amelyek új anyagokkal működnének. Az eredmények olyan prototípusok voltak, amelyek olvadt üveget, fagylaltot és szénszálas kompozitokat nyomtattak. A hallgatói csapatok olyan gépeket is készítettek, amelyek alkalmasak polimerek nagy felületű párhuzamos extrudálására , valamint a nyomtatási folyamat helyszíni optikai szkennelésére.
John Hart Mircea Dincával, az MIT kémia docensével dolgozott az Automobili Lamborghinivel közös projekten. Olyan új kompozit anyagok és szénszál kifejlesztésének lehetőségeit vizsgálta, amelyek egy napon lehetővé tehetik a teljes karosszéria akkumulátorrendszerként való felhasználását, valamint erősebb és könnyebb szerkezetek, vékonyabb festékek, erősebb katalizátorok előállítását. transzfer az autóipari rendszerben.
Ilyen elképesztő előrelépések kilátásba helyezésével nem csoda, hogy a szénszálas piac az előrejelzések szerint a 2019-es 4,7 milliárd dollárról 2029-re 13,3 milliárd dollárra nő.
Források
- McConnell, Vicky. A szénszál készítése . Összetett világ , 2008.
- Sherman, Don. A szénszálon túl: A következő áttörést jelentő anyag 20-szor erősebb. Autó és sofőr, elérve 2021 szeptemberében.
- Randall, Danielle. Az MIT kutatói a Lamborghinivel együttműködve kifejlesztik a jövő elektromos autóját . MITMECHE/In The News: Department of Chemistry, 2017. Szénszál-piac nyersanyag szerint (PAN, szurok, műselyem), száltípus (szűz, újrahasznosított), terméktípus, modulus, alkalmazás (kompozit, nem kompozit), vég- használja az ipart (A&D, autóipar, szélenergia) és a régiót – Globális előrejelzés 2029-ig. MarketsandMarkets™, 2019.
- EurekAlert! Az MIT-tanfolyam arra hívja fel a hallgatókat, hogy találják fel újra a 3-D nyomtatást .
