Bagaimana serat karbon dibuat?

Serat karbon , juga disebut serat grafit, adalah serat sintetis yang terdiri dari filamen yang sangat halus, berdiameter 5 hingga 10 mikron, dari polimer yang unsur utamanya adalah karbon. Serat karbon diperoleh dengan menenun dan memproses ribuan filamen tipis ini. Filamen ini memiliki kekuatan tarik yang tinggi, sehingga sangat kuat untuk ketebalannya. Salah satu bentuk serat karbon, tabung nano karbon, dianggap sebagai bahan terkuat yang bisa dibuat. Secara umum, serat karbon memiliki sifat yang mirip dengan baja, meskipun jauh lebih ringan, dengan kerapatan yang mirip dengan kayu atau plastik.

Ada banyak aplikasi untuk serat karbon: dalam konstruksi, dalam teknologi kedirgantaraan, dalam kendaraan berperforma tinggi, dalam berbagai aplikasi teknik, dalam peralatan olahraga, dalam alat musik.

Serat karbon memiliki berbagai aplikasi terkait energi, seperti membuat bilah turbin angin; Mereka juga digunakan dalam sistem penyimpanan gas alam dan akumulator listrik untuk kendaraan. Dalam industri penerbangan, bahan ini digunakan di pesawat komersial dan militer, serta di kendaraan udara tak berawak. Mereka juga digunakan dalam pembuatan anjungan dan pipa untuk pencarian dan eksploitasi minyak laut dalam.

Filamen yang membentuk serat karbon terdiri dari polimer organik: rantai panjang senyawa karbon yang diproduksi oleh penyatuan berulang dari molekul yang sama, yang disebut monomer . Sebagian besar serat karbon, sekitar 90%, terbuat dari poliakrilonitril (PAN). Polimer ini dihasilkan dari akrilonitril atau propilenanitril (C ₃ H ₃ N), dalam reaksi yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Kondisi khusus dari proses pembuatan bahan memberikan kualitas khusus dari serat karbon. Beberapa dari kondisi ini adalah bahan baku yang digunakan, suhu proses (beberapa tahapan dilakukan dalam oven pada suhu tinggi) atau atmosfer tempat proses diproduksi (sebagian proses berlangsung tanpa oksigen). Proses manufaktur merupakan hak milik pabrikan mereka, sehingga berbagai aspek dari proses tersebut merupakan rahasia dagang. Serat karbon kelas tertinggi, dengan modulus elastisitas paling efisien, digunakan dalam aplikasi yang paling menuntut, seperti industri kedirgantaraan.

Proses pembuatan serat karbon

Pembuatan serat karbon menggabungkan proses kimia dan mekanis. Bahan baku prekursor serat karbon diproduksi menjadi filamen tipis yang kemudian dipanaskan hingga suhu tinggi dalam suasana anaerobik (bebas oksigen). Suhu tinggi menyebabkan pengusiran materi semua atom yang bukan karbon. Dengan cara ini, proses karbonisasi menghasilkan serat yang sebagian besar terdiri dari atom karbon dalam rantai panjang, produk jalinan filamen asli. Serat ini kemudian dapat ditenun atau dicampur dengan bahan lain untuk menghasilkan serat jenis lain atau dicetak menjadi berbagai bentuk dan ukuran. Mari kita lihat di bawah urutan proses yang terlibat dalam pembuatan serat karbon.

benang . Poliakrilonitril dicampur dengan komponen lain dan dipintal menjadi serat yang terbuka setelah dicuci.

stabilisasi . Serat menjalani proses kimia yang menstabilkan senyawa.

karbonisasi . Serat yang distabilkan dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi, antara 1.000 dan 2.500 derajat Celcius untuk jangka waktu yang lama, dalam suasana anaerobik. Ini adalah bagaimana kristalisasi karbon dihasilkan dalam persatuan kohesi yang tinggi.

Perawatan permukaan . Permukaan serat dioksidasi untuk meningkatkan ikatan antar serat pada jalinan berikutnya.

berbentuk . Serat diperlakukan dan dililitkan pada kumparan yang dimuat ke dalam mesin yang memelintirnya menjadi serat dengan ketebalan dan sifat mekanik yang berbeda. Serat ini dapat digunakan untuk menenun kain atau digabungkan dengan bahan lain seperti polimer termoplastik dalam proses yang menggunakan panas, tekanan atau vakum, untuk membentuk bagian dengan format dan sifat tertentu.

Tabung nano karbon dibuat menggunakan proses yang berbeda dari serat karbon standar, menggunakan sinar laser dalam oven khusus dalam proses karbonisasi. Nanotube dapat mencapai resistansi dua puluh kali lebih besar daripada prekursornya.

Setelah menyelesaikan rangkaian proses, serat karbon akan diperoleh dan masing-masing akan terdiri dari ribuan filamen karbon; jumlah filamen dari setiap serat dapat bervariasi antara 1.000 dan 24.000, ini merupakan karakteristik produksi yang ditentukan dalam setiap kasus.

Struktur serat karbon yang dihasilkan akan mirip dengan grafit, yang terbentang menjadi lembaran atom karbon yang tumpang tindih dengan struktur kristal yang polanya heksagonal. Tidak seperti grafit, serat karbon adalah bahan amorf, bukan kristal; atom karbon disusun dalam lembaran yang berpotongan, yang memberikan serat ini ketahanan mekanis yang luar biasa.

Proses manufaktur serat karbon membawa sejumlah risiko dan tantangan. Biaya produksi tidak terjangkau untuk beberapa aplikasi; Misalnya, meskipun merupakan teknologi yang sedang berkembang, biaya industri otomotif yang mahal saat ini membatasi penggunaan serat karbon untuk kendaraan berperforma tinggi dan mewah.

Proses perawatan permukaan harus diatur dengan hati-hati untuk menghindari timbulnya cacat yang mengakibatkan serat rusak. Kontrol proses yang ketat diperlukan untuk memastikan kualitas produk. Pada gilirannya, proses ini terkait dengan masalah kesehatan dan keselamatan, dan dapat menyebabkan kondisi pernapasan dan epidermis. Serat karbon adalah konduktor listrik, sehingga dapat menimbulkan busur listrik dan korsleting pada peralatan listrik, dengan konsekuensi risiko.

Sebuah teknologi yang berkembang

Karena teknologi serat karbon terus berkembang, kemungkinan penggunaan dan penerapannya akan semakin beragam dan meningkat. Beberapa studi terkait dengan produksi serat karbon sedang dikembangkan di Massachusetts Institute of Technology (MIT) yang telah menjanjikan dalam penciptaan teknologi manufaktur dan desain baru untuk memenuhi permintaan industri.

Associate profesor teknik mesin MIT John Hart, pelopor nanotube, telah bekerja dengan murid-muridnya untuk mengubah teknologi manufaktur, termasuk menemukan bahan baru untuk digunakan dalam iklan 3-printer .D. Hart meminta murid-muridnya untuk berpikir di luar kotak untuk membayangkan printer 3-D yang akan bekerja dengan bahan baru. Hasilnya adalah prototipe yang mencetak kaca cair, es krim, dan komposit serat karbon. Tim siswa juga menciptakan mesin yang mampu menangani ekstrusi polimer paralel area besar , serta melakukan pemindaian optik di tempat dari proses pencetakan.

John Hart bekerja dengan Mircea Dinca, seorang profesor kimia di MIT, dalam proyek bersama dengan Automobili Lamborghini. Ini menyelidiki kemungkinan pengembangan bahan komposit baru dan serat karbon yang suatu hari nanti memungkinkan seluruh bodi mobil digunakan sebagai sistem baterai, serta menghasilkan struktur yang lebih kuat dan lebih ringan, cat yang lebih tipis, konverter katalitik yang lebih kuat, efisien dan mencapai panas yang lebih baik. transfer dalam sistem otomotif.

Dengan prospek kemajuan luar biasa seperti itu, tidak heran jika pasar serat karbon diproyeksikan tumbuh dari $4,7 miliar pada 2019 menjadi $13,3 miliar pada 2029.

Sumber

• McConnel, Vicky. Pembuatan Serat Karbon . Dunia Komposit , 2008.

• Sherman, Don. Melampaui Serat Karbon: Bahan Terobosan Berikutnya 20 Kali Lebih Kuat. Car and Driver, diakses September 2021.
• Randall, Danielle. Peneliti MIT berkolaborasi dengan Lamborghini untuk mengembangkan mobil listrik masa depan . MITMECHE/Dalam Berita: Departemen Kimia, 2017. Pasar Serat Karbon Berdasarkan Bahan Baku (PAN, Pitch, Rayon), Jenis Serat (Virgin, Daur Ulang), Jenis Produk, Modulus, Aplikasi (Komposit, Non-komposit), Akhir- gunakan Industri (A&D, Otomotif, Energi Angin), dan Wilayah—Prakiraan Global hingga 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
• Peringatan Eurek! Kursus MIT menantang siswa untuk menemukan kembali pencetakan 3-D .