SÜSINIKKIUDUDE VALMISTAMINE PIGIST (0)

TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL

TALLINN COLLEGE OF ENGINEERING

REFERAAT
SÜSINIKKIUDUDE VALMISTAMINE PIGIST
Õppeaines: TEHNOMATERJALID
Transporditeaduskond
Õpperühm: AT-52/62
Üliõpilane:
Õppejõud: D. Arensburger
Tallinn 2009
Sissejuhatus
Selles referaadis teen ülevaate sellest,kuidas toimub süsinikkiudude valmistamine erineva iseloomuga pigiliikidest, millised on ühe või teise eelised ja puudused ning milliseid meetodeid kasutatakse, et pigist valmiksid kvaliteetsed ja vastupidavad süsinikkiud.

Süsinikkiudude valmistamine pigist

Süsinikkiude valmistatakse erineva päritoluga pigiliikidest (toornaftast, kivisöest). Enim kasutatakse selleks toornafta töötlemisel saadud pigi , sest kivisöest saadud pigil on suurem tahkete osakeste sisaldus, mis kiirendab kuumutamisel koksi moodustumist ja võib põhjustada süsinikkiudude katkemist töötlemisel.
Pigikiude tehakse pigi sulamist. Süsinikkiud moodustuvad pigikiudude karboneerimisel üle 1000°C juures. Selleks, et nad säilitaksid oma kuju, peavad nad esmalt läbima stabiliseerimisprotsessi: 250-400°C juures oksüdeeritakse õhus; peale karboneerimist grafitiseeritakse 2500°C juures, kusjuures kõrgema temperatuuri puhul on ka saadava kiu struktuur grafiitsem. Kõrgsitked HT-tüüpi süsinikkiud vormitakse peale karboneerimist, samas kui kõrgelastsusmooduliga HM-tüüpi süsinikkiud vormitakse peale grafitiseerimist. Anisotroopne pigi on loomupäraselt sobivama molekulaarstruktuuriga kui isotroopne pigi ja ei vaja kiudude venitamist, mis on kallis protsess, grafitiseerimise ajal.
Isotroopne pigi muutub anisotroopseks, kui seda kuumutada mõned tunnid 350-450°C juures. Anisotroopsus tekib tänu vedelkristalse mesofaasi esinemisele. Mesofaasiline pigi on ebaühtlane segu isotroopsest pigist ja mesofaasist. Kahe faasi suhtelised kogused saab umbkaudu kindlaks teha, eraldades sellest püridiini ja hinoliini. Kui mesofaasi osa kasvab, siis ka pigi viskoossus suureneb. Mesofaasi kuumutamisel tuleks vältida koksi tekkimist süsinikkiudude moodustamisel, sest siis muutuvad kiud ebaühtlaseks. Viimasest hoolimata on mesofaasiline pigi tähtis kõrge kvaliteediga pigipõhiste süsinikkiudude tootmisel. Mesofaasi kasutatakse UCC-protsesside puhul.
Tänu mesofaasilise pigi puudustele, kasutatakse rohkem neomesofaasilist, puhkavat anisotroopset ja premesofaasilist pigi. Neomesofaasil, mida kasutatakse EXXON-protsesside puhul, on madalam pehmenemistemperatuur kui mesofaasil, nii et seda saab kedrata madalamal temperatuuril ja koksi moodustumise võimalus väheneb. Puhkav anisotroopne pigi on oma olemuselt isotroopse ja mesofaasilise pigi vahel. Sellest moodustuvad süsinikkiud venitades GP ja HP kraadide vahel. Premesofaasiline pigi moodustub vesiniku lisamisel 380-500°C juures ja selle kuumutamisel enam kui 450°C juures lühikese aja jooksul. Pigi on ketramistemperatuuril optiliselt isotroopne, aga suunistub vabalt järgneval kuumutamisel ketramise jaoks. Puhkaval anisotroopsel ja premesofaasilisel pigil on pigem naftaline iseloom, mis on tingitud vesiniku lisamisest. Protsessi, mis ei hõlma vesiniku lisamist, kuid millega kaasab naftaleeni polümerisatsiooni, kasutatakse optiliselt anisotroopse pigi tootmises.
Mesofaasilise pigi valmistamine isotroopsest pigist toimub termilisel töötlemisel 350-450°C juures. Kuumutamise ajal lisatakse pigisse inertgaasi (lämmastik), et õhutada vedelikku ja eemaldada madala molekulaarmassiga osised . Selleks, et tagada madal lahustumatu hinoliini sisaldus ja sulamistemperatuur, tuleb siiski säilitada osad sellised komponendid. Selleks kasutatakse eelnevat kuumutamist tagasivoolu või mõõduka surve juures.
Isotroopsest pigist mesofaasilise pigi töötlemine on aeganõudev protsess, mis võib kesta kuni 44 tundi. Et kiirendada seda muundumist, lisatakse inertgaasile oksüdatiivne komponent (hapnik). Pigi, millest tehakse süsinikkiude, peaks sisaldama 88-93 % süsinikku, 7-5 % vesinikku ja kokku alla 4 % teisi elemente (S, N). Seepärast peab tooraine enne ülalnimetatud protsesse läbima tuhastamise ja destilleerimise.
Mesofaasilisest pigist kiudude töötlemine on keeruline, sest mesofaas on kleepuv; kõrgem mesofaasilise pigi ketramistemperatuur võrreldes isotroopse pigi omaga põhjustab täiendavat polükondensatsiooni, mis viib ülemäärase gaasi sisalduseni pigis, seega on vaja ketrusdüüsi ventileerida, et vältida gaasimullide tekkimist süsinikkiududesse; ja mesofaasilisel pigil on heterogeenne struktuur, mis koosneb anisotroopse mesofaasi ja isotroopsetest regioonidest. Sellest hoolimata kasutatakse mesofaasilist pigi kõrgelastsusmooduliga, kõrgsitkete kõrge kvaliteediga struktuuriga süsinikkiudude valmistamiseks. Mesofaasilise pigi ketramiseks on mitmeid mooduseid: tsentrifugaalketramine ja sulamist ketramine. Tavaliselt kasutatakse sulamist ketramist, mida tehakse filjeerplaatide abil. Kedrata saab sulamit nii alla- kui ka ülespoole.
Ketramistemperatuurist sõltub saadava kiu struktuur. Kui ketramistemperatuur on 349°C või alla selle, moodustub kiirjat tüüpi struktuur. Kui see on aga tõstetud üle 349°C, muutub struktuur kas juhuslikku tüüpi või kiirjat tüüpi, mis on ümbritsetud indiapaberi tüüpi struktuuriga. Väga madala ketramistemperatuuri puhul on struktuuril ka V-kujulisi vagusid ja mõrasid, mis ulatuvad kiu ümbrisest kuni keskosani, kuid see ei tule kiu mehaanilistele omadustele kasuks.
Ka filjeerplaadi düüsi kujust sõltub saadava kiu mikrostruktuur . Kuna kiirjat tüüpi struktuur tuleneb mesofaasilise pigi laminaarsest voolamisest läbi ketrusdüüsi, saab seda mõjutada, muutes voolu laminaarsest turbulentseks. Düüside ristlõike kuju mõjutab kiudude ristlõikelist kuju. Mitteringikujulised süsinikkiud võivad tagada komposiitides parema kiud-raamistiku sidumise .
Lühikesi pigi kiude valmistatakse pigem sulami puhumise kui ketramise teel. Kiud puhutakse kuuma gaasiga düüsidest liikuvale konveierile, mis ei pöörle. Seda protsessi kasutatakse peamiselt lühikeste isotroopse pigi baasil toodetud süsinikkiudude valmistamisel.
Kõrgema pehmenemispunktiga pigi võimaldab oksüdeerimisel aset leida kõrgemal temperatuuril, vähendades seeläbi palju oksüdeerimiseks vajalikku aega. Seepärast eelistatakse isotroopse pigi kiudude tootmisel kõrgema pehmenemistemperatuuriga pigi, kuigi seda on raskem kedrata. Mesofaasilise pigi kiududel on kõrgem pehmenemispunkt kui isotroopse pigi kiududel, seega saavad nad stabiliseerimisprotsessi läbida kõrgemal temperatuuril, mis teeb selle protsessi kiiremaks. Mesofaasilise pigi kiudude stabiliseerimiseks on vaja vaid mõningased minutid, samas kui isotroopse pigi kiudude stabiliseerimiseks on vaja tunde. Mida pikem on stabiliseerimise aeg, seda paksem on kiudude väliskest - see on stabiliseeritud osa. Stabiliseerimine aeglustub, kui see jõuab kiu sisse. Kaheastmelist stabiliseerimist kasutatakse, et ära hoida kiudude kokkukleepumist peale karboneerimist. Selle tarbeks kantakse kiududele enne stabiliseerimist ka kolloidgrafiiti.
Peale stabiliseerimist karboneeritakse pigi kiud kuumutades neid erinevates kuumustsoonides 700-2000°C juures. Selleks, et takistada oksüdeerumist lõplikes süsinikkiududes, kasutatakse inertset atmosfääri. Erineva kuumusastmega tsoonid on vajalikud selleks, et vältida ülemäärast struktuuri katkestust. Suurim kogus gaase , peamiselt CH₄ ja H₂, eraldatakse temperatuuril alla 1000°C. Üle selle eraldatakse peamiselt hapnikku.
Peale karboneerimist viiakse läbi grafitiseerimine , kuumutades kiude inertses atmosfääris 2500-3000°C juures.

Kokkuvõte

Erinevate sihtotstarvetega süsinikkiudude valmistamiseks kasutatakse erineva päritoluga pigiliike ja erinevaid valmistamismeetodeid. Igal neist on omad eelised ja puudused, kuid eelistatakse ikkagi protsesse, mis võimaldavad kiiremini soovitud tulemini jõuda. Selleks, et tootmine oleks kiirem ja tõhusam, on välja töötatud erinevaid võimalusi süsinikkiudude valmistamiseks pigist, millest mõningaid ka selles referaadis tutvustasin.

Kasutatud kirjandus:

Chung, D. L. 1994. Carbon Fibers made from Pitch – rmt: Carbon Fiber Composites, pp. 14-23

Arensburger, D. 2005. Boor-, ränikarbiid- ja süsinikkiud – rmt: Komposiitmaterjalid , lk. 34-36