Πώς κατασκευάζονται οι ίνες άνθρακα;

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Η ίνα άνθρακα , που ονομάζεται επίσης ίνα γραφίτη, είναι μια συνθετική ίνα που αποτελείται από πολύ λεπτά νήματα, διαμέτρου 5 έως 10 microns, ενός πολυμερούς του οποίου το κύριο στοιχείο είναι ο άνθρακας. Μια ίνα άνθρακα λαμβάνεται με την ύφανση και την επεξεργασία χιλιάδων από αυτά τα λεπτά νήματα. Αυτά τα νημάτια έχουν υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, επομένως είναι εξαιρετικά ισχυρά για το πάχος τους. Μια μορφή ανθρακονήματος, ο νανοσωλήνας άνθρακα, θεωρείται το ισχυρότερο υλικό που μπορεί να κατασκευαστεί. Γενικά, οι ίνες άνθρακα έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τον χάλυβα, αν και είναι πολύ ελαφρύτερες, με πυκνότητα παρόμοια με το ξύλο ή το πλαστικό.

Υπάρχουν πολλαπλές εφαρμογές για ανθρακονήματα: στις κατασκευές, στην αεροδιαστημική τεχνολογία, σε οχήματα υψηλών επιδόσεων, σε διάφορες εφαρμογές μηχανικής, σε αθλητικό εξοπλισμό, σε μουσικά όργανα.

Οι ίνες άνθρακα έχουν διάφορες εφαρμογές που σχετίζονται με την ενέργεια, όπως η κατασκευή πτερυγίων ανεμογεννητριών. Χρησιμοποιούνται επίσης σε συστήματα αποθήκευσης φυσικού αερίου και ηλεκτρικούς συσσωρευτές για οχήματα. Στην αεροπορική βιομηχανία, το υλικό αυτό χρησιμοποιείται τόσο σε εμπορικά όσο και σε στρατιωτικά αεροσκάφη, καθώς και σε μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα. Χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή πλατφορμών και σωλήνων για αναζήτηση και εκμετάλλευση πετρελαίου βαθέων υδάτων.

Ίνα άνθρακα διαμέτρου 6 μm δίπλα σε ανθρώπινη τρίχα (διάμετρος 50 μm).
Ίνα άνθρακα διαμέτρου 6 μm δίπλα σε ανθρώπινη τρίχα (διάμετρος 50 μm).

Τα νημάτια που αποτελούν τις ίνες άνθρακα αποτελούνται από οργανικά πολυμερή: μακριές αλυσίδες ενώσεων άνθρακα που παράγονται από την επαναλαμβανόμενη ένωση του ίδιου μορίου, που ονομάζεται μονομερές . Οι περισσότερες ίνες άνθρακα, περίπου το 90%, είναι κατασκευασμένες από πολυακρυλονιτρίλιο (PAN). Αυτό το πολυμερές παράγεται από ακρυλονιτρίλιο ή προπυλενιτρίλιο (C3H3N ) , στην αντίδραση που φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.

Αντίδραση πολυμερισμού πολυακρυλονιτριλίου σε πολυακρυλονιτρίλιο.
Αντίδραση πολυμερισμού πολυακρυλονιτριλίου σε πολυακρυλονιτρίλιο.

Οι ειδικές συνθήκες των διαδικασιών κατασκευής του υλικού του προσδίδουν τις ιδιαίτερες ιδιότητες των ινών άνθρακα. Μερικές από αυτές τις συνθήκες είναι οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται, οι θερμοκρασίες των διεργασιών (ορισμένα στάδια εκτελούνται σε φούρνους σε υψηλές θερμοκρασίες) ή η ατμόσφαιρα στην οποία παράγονται (μέρος των διεργασιών λαμβάνει χώρα απουσία οξυγόνου). Οι διαδικασίες παραγωγής είναι αποκλειστικές των κατασκευαστών τους, επομένως διάφορες πτυχές της διαδικασίας αποτελούν εμπορικά μυστικά. Η υψηλότερης ποιότητας ίνα άνθρακα, με τον πιο αποτελεσματικό συντελεστή ελαστικότητας, χρησιμοποιείται στις πιο απαιτητικές εφαρμογές, όπως η αεροδιαστημική βιομηχανία.

Διαδικασίες παραγωγής ανθρακονημάτων

Η κατασκευή ινών άνθρακα συνδυάζει χημικές και μηχανικές διεργασίες. Η πρόδρομη πρώτη ύλη για τις ίνες άνθρακα παράγεται σε λεπτά νήματα που στη συνέχεια θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες σε αναερόβια (χωρίς οξυγόνο) ατμόσφαιρα. Οι υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν την αποβολή του υλικού όλων των ατόμων που δεν είναι άνθρακας. Με αυτόν τον τρόπο, η διαδικασία της ενανθράκωσης παράγει μια ίνα που αποτελείται κυρίως από άτομα άνθρακα σε μακριές αλυσίδες, το προϊόν της διαπλοκής των αρχικών νημάτων. Αυτές οι ίνες μπορούν στη συνέχεια να υφανθούν ή να αναμειχθούν με άλλα υλικά για να παραχθεί ένας άλλος τύπος ινών ή να χυτευθούν σε διάφορα σχήματα και μεγέθη. Ας δούμε παρακάτω τη σειρά των διαδικασιών που εμπλέκονται στην κατασκευή ινών άνθρακα.

νήμα . Το πολυακρυλονιτρίλιο αναμιγνύεται με άλλα συστατικά και περιστρέφεται σε ίνες που ξεδιπλώνονται μετά το πλύσιμο.

σταθεροποίηση . Οι ίνες υφίστανται χημικές διεργασίες που σταθεροποιούν τις ενώσεις.

ανθρακοποίηση . Οι σταθεροποιημένες ίνες θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, μεταξύ 1.000 και 2.500 βαθμών Κελσίου για μεγάλα χρονικά διαστήματα, σε αναερόβια ατμόσφαιρα. Έτσι δημιουργείται η κρυστάλλωση του άνθρακα σε μια ένωση υψηλής συνοχής.

Επιφανειακή επεξεργασία . Η επιφάνεια των ινών οξειδώνεται για να βελτιωθεί η σύνδεση μεταξύ των ινών στο επόμενο πλέξιμο.

διαμορφωμένος . Οι ίνες επεξεργάζονται και τυλίγονται σε μπομπίνες που φορτώνονται σε μηχανές που τις περιστρέφουν σε ίνες διαφορετικού πάχους και μηχανικών ιδιοτήτων. Αυτές οι ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ύφανση υφασμάτων ή να συνδυαστούν με άλλα υλικά όπως θερμοπλαστικά πολυμερή σε διαδικασίες που χρησιμοποιούν θερμότητα, πίεση ή κενό, προκειμένου να σχηματιστούν μέρη με συγκεκριμένες μορφές και ιδιότητες.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα κατασκευάζονται με διαφορετικές διαδικασίες από τις τυπικές ίνες άνθρακα, χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ σε ειδικούς φούρνους στη διαδικασία ενανθράκωσης. Οι νανοσωλήνες μπορούν να φτάσουν σε αντιστάσεις είκοσι φορές μεγαλύτερες από αυτές των προδρόμων τους.

Μετά την ολοκλήρωση της σειράς των διεργασιών, θα ληφθούν ίνες άνθρακα και καθεμία από αυτές θα αποτελείται από χιλιάδες νημάτια άνθρακα. Ο αριθμός των νημάτων κάθε ίνας μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 1.000 και 24.000, αυτό είναι ένα κατασκευαστικό χαρακτηριστικό που καθορίζεται σε κάθε περίπτωση.

Η δομή της ίνας άνθρακα που παράγεται με αυτόν τον τρόπο θα είναι παρόμοια με αυτή του γραφίτη, ο οποίος ξεδιπλώνεται σε επικαλυπτόμενα φύλλα ατόμων άνθρακα με μια κρυσταλλική δομή της οποίας το σχέδιο είναι εξαγωνικό. Σε αντίθεση με τον γραφίτη, οι ίνες άνθρακα είναι ένα άμορφο υλικό, όχι ένα κρυσταλλικό. Τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε φύλλα που τέμνονται, γεγονός που δίνει σε αυτή την ίνα την εξαιρετική μηχανική αντίστασή της.

Οι διαδικασίες παραγωγής ανθρακονημάτων ενέχουν πολλούς κινδύνους και προκλήσεις. Το κόστος κατασκευής είναι δυσβάσταχτο για ορισμένες εφαρμογές. Για παράδειγμα, αν και πρόκειται για μια αναπτυσσόμενη τεχνολογία, το απαγορευτικό κόστος της αυτοκινητοβιομηχανίας περιορίζει επί του παρόντος τη χρήση ανθρακονημάτων σε οχήματα υψηλής απόδοσης και πολυτελείας.

Η διαδικασία επεξεργασίας επιφάνειας πρέπει να ρυθμίζεται προσεκτικά για να αποφευχθεί η δημιουργία ελαττωμάτων που οδηγούν σε ελαττωματικές ίνες. Απαιτείται αυστηρός έλεγχος της διαδικασίας για τη διασφάλιση της ποιότητας του προϊόντος. Με τη σειρά τους, αυτές οι διεργασίες συνδέονται με προβλήματα υγείας και ασφάλειας και μπορούν να προκαλέσουν αναπνευστικές και επιδερμικές παθήσεις. Οι ίνες άνθρακα είναι ηλεκτρικοί αγωγοί, επομένως μπορούν να δημιουργήσουν τόξα και βραχυκυκλώματα στον ηλεκτρικό εξοπλισμό, με τον επακόλουθο κίνδυνο.

Μια αναπτυσσόμενη τεχνολογία

Καθώς η τεχνολογία των ανθρακονημάτων συνεχίζει να εξελίσσεται, οι δυνατότητες χρήσης και εφαρμογής της θα διαφοροποιηθούν και θα αυξηθούν. Αρκετές μελέτες που σχετίζονται με την παραγωγή ινών άνθρακα αναπτύσσονται στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) που ήδη δείχνουν πολλά υποσχόμενα για τη δημιουργία νέων τεχνολογιών κατασκευής και σχεδίασης για την κάλυψη της ζήτησης της βιομηχανίας.

Ο αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας του MIT John Hart, πρωτοπόρος στους νανοσωλήνες, εργάζεται με τους μαθητές του για να μεταμορφώσει την τεχνολογία κατασκευής, συμπεριλαμβανομένης της εύρεσης νέων υλικών που θα χρησιμοποιηθούν σε εκτυπωτές 3. D διαφημίσεις. Ο Χαρτ ζήτησε από τους μαθητές του να σκεφτούν έξω από το κουτί για να οραματιστούν τρισδιάστατους εκτυπωτές που θα λειτουργούσαν με νέα υλικά. Τα αποτελέσματα ήταν πρωτότυπα που εκτύπωσαν λιωμένο γυαλί, παγωτό και σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Οι ομάδες μαθητών δημιούργησαν επίσης μηχανήματα ικανά να χειρίζονται παράλληλη εξώθηση πολυμερών μεγάλης περιοχής , καθώς και να κάνουν επιτόπου οπτική σάρωση της διαδικασίας εκτύπωσης.

Ο John Hart συνεργάστηκε με τον Mircea Dinca, αναπληρωτή καθηγητή χημείας στο MIT, σε ένα κοινό έργο με την Automobili Lamborghini. Διερεύνησε τις δυνατότητες ανάπτυξης νέων σύνθετων υλικών και ανθρακονημάτων που θα μπορούσαν μια μέρα να επιτρέψουν σε ολόκληρο το αμάξωμα του αυτοκινήτου να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα μπαταρίας, καθώς και να παράγει ισχυρότερες και ελαφρύτερες δομές, λεπτότερες βαφές, ισχυρότερους καταλυτικούς μετατροπείς. αποτελεσματικό και καλύτερη θερμότητα μεταφορά στο σύστημα αυτοκινήτου.

Νέο σχέδιο αυτοκινήτου από ανθρακονήματα που αναπτύχθηκε από τους John Hart και Mircea Dinca στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης σε ένα κοινό έργο με την Automobili Lamborghini.
Νέο σχέδιο αυτοκινήτου από ανθρακονήματα που αναπτύχθηκε από τους John Hart και Mircea Dinca στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης σε ένα κοινό έργο με την Automobili Lamborghini.

Με την προοπτική τέτοιων εκπληκτικών προόδων, δεν είναι περίεργο ότι η αγορά ανθρακονημάτων προβλέπεται να αυξηθεί από 4,7 δισεκατομμύρια δολάρια το 2019 σε 13,3 δισεκατομμύρια δολάρια το 2029.

Πηγές

-Διαφήμιση-

mm
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

Artículos relacionados