طرح تولید الیاف کربن

فرآیند تولید الیاف کربن

فرآیند تولید فیبرهای کربنی شامل دو بخش شیمیایی و مکانیکی می باشد.پیش ماده به صورت رشته های بلند یا فیبری کشیده می شوند سپس با دمای خیلی بالا حرارت داده می شوند بدون اینکه با اکسیژن در تماس باشد. فیبر بدون اکسیژن نمیسوزد ولی با حرارت دهی تا دمای خیلی بالا اتم های کربن در جای خود ارتعاش کرده تا تقریبا تمامی اتم های غیرکربنی خارج شوند.این فرآیند را کربونیزه کردن می نامند و در نهایت، فیبرهای تشکیل شده از زنجیره ئهای بلند، محکم و در هم تنیده ی اتم های کربن و مقدار ناچیزی از موا غیر کربنی باقی می ماند. در ادامه به شرح مراحل کلی در تولید فیبر کربن از پلی آکریلونیتریل می پردازیم:

ریسندگی

-پودر پلاستیک آکرونیتریل با یک پلیمر دیگر مثل متیل متا آکریلات مخلوط می شود سپس با کاتالیزور طی یک فرآیند پلیمریزاسیون محلول برای فرم و شکل دهی پلاستیک پلی آکرونیتریل، واکنش داده می شود

– سپس ترکیب پلیمر بدست آمده به همراه فیبرها به روش های مختلفی در هم بافته و تنیده می شود.در بعضی روش ها پلاستیک با مواد شیمیایی خاصی مخلوط شده و بوسیله ی پمپ های جت کوچکی به داخل یک حوضچه حاوی مواد شیمیایی یا محفظه سخت کاری که پلاستیک در انجا جامد شده و شکل اولیه خود را می گیرد، پمپ می شود. این فرایند شبیه فرآیندی است که برای تولید الیاف فیبرهای آکرونیتریل بکار برده می شود. در روش دیگر مخلوط پلاستیک پس از حرارت دهی و توسط پمپ های کوچک جت به داخل محفظه ای که محلول تبخیر شده و فیبر جامد باقی می ماند، رانده می شود.مرحله ریسندگی به علت اینکه ساختارهای اتمی فیبرها در طی این فرآیند شکل می گیرند، اهمیت بسزایی دارد.

– فیبرها شستشو شده و به قطرهای مختلف کشیده می شوند. فرآیند کشش کمک می کند مولکول ها در طول فیبر جهت گیری مناسبی داشته و شکل دهی کریستالهای کوچک کربن پس از کربونیزاسیون را فراهم می سازد.

تقویت کردن

– قبل از اینکه فیبرها کربونیزه شوند لازم است تا از نظر ساختار اتمی و مولکولیفپیوند اتمی خطی به یک پیوند پلکانی مستحکم تر تبدیل شود، این واکنش با حرارت دهی تا دمای بین 200 تا 300 درجه سلسیوس برای مدت 20 تا 30 دقیقه کامل می شود. این عملیات باعث می شود که فیبرها مولکولهای اکسیژن را از هوا گرفته و آرایش مولکولی خود را دوباره تغییر دهد. واکنش های ثابت شده شیمیایی، پیچیده و شامل چندین مرحله می باشند که بعضی از آنها بسیار شبیه هم هستند. در طی این واکنش ها گرمای زیادی ایجاد می شود که باید کنترل گردد تا بیش از اندازه حرارت فیبرها را بالا نبرند. از لحاظ اقتصادی و تجاری عملیات تقویت وابسته به تجهیزات و تکنیک های بسیاری می باشد. در بعضی فرایندها فیبرها در طول یک سری محفظه حرارتی کشیده می شوند و در بعضی دیگر فیبرها در بستر مواد رقیق که بصورت معلق توسط جریان داغ هوا نگاه داشته می شوند، بوسیله ی غلتک های داغ عبور داده می شوند. بعضی فرایندها از مخلوط هوای گرم با گازهای خاصی که فرایند تقویت را سرعت می بخشد استفاده می کنند.

کربونیزه کردن

-هنگامیکه فیبرها تقویت و مستحکم شدند، تا دمای 1000 تا 3000 درجه سانتیگراد برای چند دقیقه در کوره ای که حاوی گازی خالی از اکسیژن است حرارت داده می شوند. نبود اکسیژن از سوختن فیبرها در حرارت های بالا جلوگیری می کند. فشار گاز داخل کوره بالاتر از فشار هوای خارج آن است و نقاطی که فیبرها به کوره داخل یا خارج می شوند کاملا آب بندی می شوند تا اکسیژن به آن وارد نشود. هنگامیکه فیبرها حرارت داده می شوند، شروع به از دست دادن اتم های غیر کربنی به علاوه ی کمی از اتم های کربن به صورت گازهای مختلفی از قبیل بخار آب، آمونیاک، مونو اکسید کربن، کربن دی اکسید، هیدروژن، نیتروژن و غیره می کند. وقتی که اتم های غیر کربنی ازاد شدند اتم های کربنی باقی مانده بصورت کریستال های به هم چسبیده محکمی در می ایند که به موازات محور فیبرها جهت گیری کرده اند.در بعضی فرآیندها برای کنترل بهتر نسبت خنک شدن در طی فرآیند کربونیزه شدن از دو کوره با دو دمای متفاوت استفاده می شود.

عمل آوری و آماده سازی سطح فیبرها

– بعد از کربونیزه کردن سطح فیبرها طوری است که به اسانی با اپوکسی ها و سایر موادی که در مواد کامپوزیتی استفاده می شود اتصال برقرار نمی کند یا به اصطلاح نمی چسبند.بدین منظور سطح فیبرها را اندکی اکسیده می کنند. اضافه کردن اتم های اکسیژن به سطح باعث بهبود چسبندگی و اچ کردن و زبری می شود. اکسیداسیون می تواند با فرو بردن فیبرها در گازهای مختلفی مثل هوا، کربن دی اکسید یا ازن حاصل شود. یا با فرو بردن فیبر ها در مایعاتی مثل سدیم هیپوکلراید یا نیتریک اسید حاصل شود. فیبرها می توانند با قرار گرفتن به عنوان قطب مثبت در محفظه ای که در آن مواد رسانای الکتریکی مختلفی قرار گرفته است به صورت الکترواستاتیکی اکسیده شوند. در این فرایند باید توجه شود که اثرات نامطلوب سطحی مثل ایجاد حفره در سطح در فیبرها ایجاد نشود.

شکل 1 پلاستیک به شکل رشته های بهم تابیده ی بلند یا فیبرها کشیده می شوند سپس در معرض حرارت بسیار بالا بدون اینکه در تماس اکسیژن باشند قرار می گیرند. بدون اکسیژن فیبرها نمیسوزند اما دمای بالا باعث می شود تا اتم ها در جای خود شروع به ارتعاش شدیدی کرده تا اینکه اتمهای غیرکربنی از آنها خارج شوند.

فرآیند تولید الیاف کربن

سایز کردن

– پس از عمل آوری لازم است سطح فیبرها برای اینکه از اسیب دیدن هنگام عملیات بافت و هوا دهی در امان باشند پوشش دهی شود. این پروسه را سایز کردن یا اندازه دهی می نامند. مواد پوشش دهنده طوری انتخاب می شوند که با چسب مورد استفاده جهت شکل دهی کامپوزیت سازگار باشند. مواد پوشش دهی رایج عبارتند از پلی استر، نایلون، اورتان و غیره.

– در مرحله بعد فیبرهای پوشش دهی شده به دور ماسوره ها پیچانده می شوند و این ماسوره ها در دستگاه چرخش قرار گرفته و فیبرها به شکل نخ در ابعاد مختلف از آن جدا می شوند.

فرآیند تولید الیاف کربن

کنترل کیفیت

فیبرهای کربن بسیار نازک این امکان را به ما نمی دهد که بتوانیم ابعاد آنها را حین تولید کنترل کنیم لذا به جای آن می توانیم پارامتر های مختلف تولید را مثل زمان، دما، دبی گاز و ترکیب شیمیایی را در هر مرحله از تولید کنترل نماییم.

البته فیبرهای کربن پس از تولید در معرض آزمایش های گوناگونی مثل سنجش چگالی، استحکام، مقدار سایز کردن و غیره قرار می گیرد.در دهه 90 میلادی تولید کنندگان فیبرهای کربنی استاندارد هایی را برای استفاده صنایع در این زمینه تعریف کردند.

خلاصه بررسي اقتصادی طرح تولید الیاف کربن
ظرفیت اسمی تولید سالیانه : 100 تن
میزان تولید داخلی محصول 1000 تن
مساحت زمین موردنیاز : 10000 متر مربع
زیربنای ساختمان ها : 6500 متر مربع
تعداد نیروی انساني مورد نیاز : 76 نفر
میزان سرمایه گذاری ثابت : 524،000 میلیون ریال
میزان سرمایه گذاری در گردش : 6،000 میلیون ریال
میزان سرمایه گذاری کل : 530،000 میلیون ریال
ارزش ماشين آلات و تجهيزات داخلي : 444،000 میلیون ریال
نرخ بازگشت داخلي : 34 درصد