Tabla de Contenidos
คาร์บอนไฟเบอร์หรือเรียกอีกอย่างว่าใยกราไฟต์ เป็นเส้นใยสังเคราะห์ที่ประกอบด้วยเส้นใยละเอียดมาก ของพอลิเมอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ถึง 10 ไมครอน ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือคาร์บอน เส้นใยคาร์บอนได้มาจากการทอและแปรรูปเส้นใยบาง ๆ เหล่านี้หลายพันเส้น เส้นใยเหล่านี้มีความต้านทานแรงดึงสูง ดังนั้นจึงมีความแข็งแรงอย่างมากสำหรับความหนา ท่อนาโนคาร์บอนรูปแบบหนึ่งของคาร์บอนไฟเบอร์ถือเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่สามารถทำได้ โดยทั่วไปแล้ว เส้นใยคาร์บอนมีคุณสมบัติคล้ายกับเหล็ก แม้ว่าจะมีน้ำหนักเบากว่ามาก แต่มีความหนาแน่นใกล้เคียงกับไม้หรือพลาสติก
มีการใช้งานที่หลากหลายสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์: ในการก่อสร้าง, ในเทคโนโลยีการบินและอวกาศ, ในยานยนต์สมรรถนะสูง, ในการใช้งานด้านวิศวกรรมต่างๆ, ในอุปกรณ์กีฬา, ในเครื่องดนตรี
เส้นใยคาร์บอนมีการใช้งานเกี่ยวกับพลังงานหลายอย่าง เช่น การทำใบพัดกังหันลม นอกจากนี้ยังใช้ในระบบจัดเก็บก๊าซธรรมชาติและเครื่องสะสมไฟฟ้าสำหรับยานพาหนะ ในอุตสาหกรรมการบิน วัสดุนี้ถูกใช้ทั้งในเครื่องบินพาณิชย์และเครื่องบินทหาร รวมถึงในยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตแท่นวางและท่อสำหรับการสำรวจและการใช้ประโยชน์จากน้ำมันในน้ำลึก
เส้นใยที่ประกอบเป็นคาร์บอนไฟเบอร์นั้นประกอบด้วยโพลิเมอร์อินทรีย์: สารประกอบคาร์บอนที่มีสายโซ่ยาวซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันซ้ำๆ ของโมเลกุลเดียวกัน เรียกว่า โมโนเมอร์ เส้นใยคาร์บอนส่วนใหญ่ประมาณ 90% ทำมาจากโพลีอะคริโลไนไทรล์ (PAN) พอลิเมอร์นี้ถูกสร้างขึ้นจากอะคริโลไนไตรล์หรือโพรพิลีนไนไตรล์ (C 3 H 3 N) ในปฏิกิริยาที่แสดงในรูปต่อไปนี้
เงื่อนไขเฉพาะของกระบวนการผลิตของวัสดุทำให้มีคุณสมบัติเฉพาะของเส้นใยคาร์บอน เงื่อนไขเหล่านี้บางส่วน ได้แก่ วัตถุดิบที่ใช้ อุณหภูมิของกระบวนการ (บางขั้นตอนดำเนินการในเตาอบที่อุณหภูมิสูง) หรือบรรยากาศในการผลิต (ส่วนหนึ่งของกระบวนการเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน) กระบวนการผลิตเป็นกรรมสิทธิ์ของผู้ผลิต ดังนั้น แง่มุมต่างๆ ของกระบวนการจึงเป็นความลับทางการค้า คาร์บอนไฟเบอร์เกรดสูงสุดพร้อมโมดูลัสความยืดหยุ่นที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่มีความต้องการสูงสุด เช่น อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์
การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ผสมผสานกระบวนการทางเคมีและทางกลเข้าด้วยกัน วัตถุดิบตั้งต้นสำหรับเส้นใยคาร์บอนถูกผลิตขึ้นเป็นเส้นใยบางๆ ซึ่งจากนั้นจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศแบบไม่ใช้ออกซิเจน (ปราศจากออกซิเจน) อุณหภูมิสูงทำให้เกิดการขับออกของวัสดุของอะตอมทั้งหมดที่ไม่ใช่คาร์บอน ด้วยวิธีนี้ กระบวนการคาร์บอไนเซชันจะสร้างเส้นใยที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ในสายโซ่ยาว ซึ่งเป็นผลมาจากการพันกันของเส้นใยดั้งเดิม เส้นใยเหล่านี้สามารถทอหรือผสมกับวัสดุอื่นเพื่อผลิตเส้นใยชนิดอื่นหรือขึ้นรูปเป็นรูปร่างและขนาดต่างๆ ให้เราดูลำดับของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ด้านล่าง
เส้นด้าย . พอลิอะคริโลไนไตรล์ผสมกับส่วนประกอบอื่นๆ แล้วปั่นเป็นเส้นใยที่คลี่ออกหลังการซัก
การทำให้เสถียร . เส้นใยผ่านกระบวนการทางเคมีที่ทำให้สารประกอบมีความคงตัว
ถ่าน . เส้นใยที่มีความคงตัวจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงมาก ระหว่าง 1,000 ถึง 2,500 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลานานในบรรยากาศแบบไม่ใช้ออกซิเจน นี่คือวิธีการสร้างผลึกของคาร์บอนในสหภาพที่มีการเกาะตัวกันสูง
การรักษาพื้นผิว พื้นผิวของเส้นใยถูกออกซิไดซ์เพื่อปรับปรุงพันธะระหว่างเส้นใยในการถักเปียที่ตามมา
รูปร่าง . เส้นใยได้รับการบำบัดและพันบนกระสวยที่บรรจุลงในเครื่องจักรที่บิดให้เป็นเส้นใยที่มีความหนาและคุณสมบัติเชิงกลต่างกัน เส้นใยเหล่านี้สามารถใช้ในการทอผ้าหรือใช้ร่วมกับวัสดุอื่นๆ เช่น เทอร์โมพลาสติกโพลิเมอร์ในกระบวนการที่ใช้ความร้อน ความดัน หรือสุญญากาศ เพื่อสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปแบบและคุณสมบัติเฉพาะ
ท่อนาโนคาร์บอนผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่แตกต่างจากเส้นใยคาร์บอนมาตรฐาน โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ในเตาอบแบบพิเศษในกระบวนการคาร์บอไนเซชัน ท่อนาโนสามารถทนต่อความต้านทานได้ดีกว่าท่อนาโนถึงยี่สิบเท่า
หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการต่างๆ แล้ว จะได้เส้นใยคาร์บอนและแต่ละเส้นใยจะประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอนหลายพันเส้น จำนวนเส้นใยของแต่ละเส้นใยอาจแตกต่างกันระหว่าง 1,000 ถึง 24,000 ซึ่งเป็นลักษณะการผลิตที่ระบุไว้ในแต่ละกรณี
โครงสร้างของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผลิตขึ้นจะคล้ายกับกราไฟต์ ซึ่งแผ่ออกเป็นแผ่นอะตอมของคาร์บอนซ้อนทับกันโดยมีโครงสร้างผลึกซึ่งมีรูปแบบเป็นรูปหกเหลี่ยม คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุอสัณฐานไม่ใช่ผลึก อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงเป็นแผ่นที่ตัดกัน ซึ่งทำให้เส้นใยนี้มีความต้านทานเชิงกลที่ยอดเยี่ยม
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความเสี่ยงและความท้าทายหลายประการ ต้นทุนการผลิตไม่สามารถจ่ายได้สำหรับบางแอปพลิเคชัน ตัวอย่างเช่น แม้ว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา แต่ปัจจุบันต้นทุนที่ห้ามปรามของอุตสาหกรรมยานยนต์จำกัดการใช้คาร์บอนไฟเบอร์เฉพาะรถยนต์สมรรถนะสูงและหรูหราเท่านั้น
กระบวนการเตรียมพื้นผิวต้องได้รับการควบคุมอย่างรอบคอบเพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างข้อบกพร่องที่ส่งผลให้เส้นใยมีข้อบกพร่อง จำเป็นต้องมีการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ในทางกลับกัน กระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปัญหาสุขภาพและความปลอดภัย และอาจทำให้เกิดภาวะทางเดินหายใจและผิวหนัง เส้นใยคาร์บอนเป็นตัวนำไฟฟ้า ดังนั้นพวกมันจึงสามารถสร้างส่วนโค้งและไฟฟ้าลัดวงจรในอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยมีความเสี่ยงที่ตามมา
เทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา
เนื่องจากเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ความเป็นไปได้ในการใช้งานและการใช้งานจะมีความหลากหลายและเพิ่มมากขึ้น การศึกษาหลายชิ้นเกี่ยวกับการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์กำลังได้รับการพัฒนาที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาในการสร้างเทคโนโลยีการผลิตและการออกแบบใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรม
จอห์น ฮาร์ต รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลแห่ง MIT ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกท่อนาโนได้ทำงานร่วมกับนักศึกษาของเขาเพื่อเปลี่ยนโฉมเทคโนโลยีการผลิต รวมถึงการค้นหาวัสดุใหม่ๆ ที่จะใช้ในเครื่องพิมพ์ 3 เครื่อง โฆษณา D Hart ขอให้นักเรียนคิดนอกกรอบเพื่อจินตนาการถึงเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สามารถทำงานร่วมกับวัสดุใหม่ๆ ได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือต้นแบบที่พิมพ์แก้วหลอมเหลว ไอศกรีม และวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์ ทีมนักศึกษายังสร้างเครื่องจักรที่สามารถจัดการการ อัดขึ้นรูปโพลิเมอร์แบบขนาน ในพื้นที่ ขนาดใหญ่ ตลอดจน การสแกน กระบวนการพิมพ์ แบบออปติคอล ในสถานที่ทำงาน
John Hart ทำงานร่วมกับ Mircea Dinca รองศาสตราจารย์ด้านเคมีที่ MIT ในโครงการร่วมกับ Automobili Lamborghini สำรวจความเป็นไปได้ของการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตและคาร์บอนไฟเบอร์ใหม่ ๆ ที่สักวันหนึ่งจะสามารถใช้ตัวถังรถยนต์ทั้งคันเป็นระบบแบตเตอรี่ได้รวมถึงสร้างโครงสร้างที่แข็งแรงและเบาขึ้น สีที่บางลง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แข็งแรงขึ้นมีประสิทธิภาพและให้ความร้อนที่ดีขึ้น การถ่ายโอนในระบบยานยนต์
ด้วยความคาดหวังของความก้าวหน้าที่น่าทึ่งดังกล่าว จึงไม่น่าแปลกใจที่ตลาดคาร์บอนไฟเบอร์คาดว่าจะเติบโตจาก 4.7 พันล้านดอลลาร์ในปี 2562 เป็น 13.3 พันล้านดอลลาร์ในปี 2562
แหล่งที่มา
- แมคคอนเนล, วิกกี้. การสร้างคาร์บอนไฟเบอร์ . โลกคอมโพสิต , 2551.
- เชอร์แมน, ดอน. นอกเหนือจากคาร์บอนไฟเบอร์: วัสดุที่ล้ำหน้าถัดไปจะแข็งแกร่งขึ้น 20 เท่า รถยนต์และคนขับเข้าถึงเมื่อเดือนกันยายน 2564
- แรนดอล, แดเนียล. นักวิจัย MIT ร่วมมือกับ Lamborghini เพื่อพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าแห่งอนาคต MITMECHE/In The News: Department of Chemistry, 2017. Carbon Fiber Market by Raw Material (PAN, Pitch, Rayon), Fiber Type (Virgin, Recycled), Product Type, Modulus, Application (Composite, Non-composite), End- ใช้อุตสาหกรรม (A&D, ยานยนต์, พลังงานลม) และภูมิภาค—การคาดการณ์ทั่วโลกถึงปี 2029 MarketsandMarkets™, 2019
- EurekAlert! หลักสูตรของ MIT ท้าทายให้นักศึกษาสร้าง นวัตกรรมการพิมพ์ 3 มิติ
