1. Processo di produzione del materiale in fibra di carbonio
Il processo di produzione della fibra di carbonio è complesso e costoso. Quello che segue è il processo di produzione della fibra di carbonio basato su PAN:
1. Polimerizzazione e filatura
- La preparazione del precursore inizia con il monomero acrilonitrile, che viene combinato con comonomeri acrilici plastificati e catalizzatori (come acido itaconico, biossido di acido solforico, acido solforico o acido metacrilico) nel reattore. Gli ingredienti vengono mescolati continuamente per garantire viscosità e purezza e per avviare la formazione di radicali liberi all'interno della struttura molecolare dell'acrilonitrile, producendo polimeri a catena lunga che possono formare fibre acriliche.
- Le fibre PAN sono formate mediante filatura a umido o dry jet/filatura a umido (processo misto). La filatura a umido consiste nell'immergere la soluzione concentrata in un bagno di coagulazione liquido ed estruderla attraverso i fori in una filiera di metalli preziosi (i fori della filiera corrispondono al numero richiesto di filamenti di fibre PAN). Le fibre filate a umido vengono stirate mediante lavaggio con acqua per rimuovere il coagulante in eccesso, quindi essiccate e stirate per continuare a migliorare l'orientamento del polimero PAN; la filatura a getto secco/a umido avrà un segmento d'aria tra la fibra e il bagno di coagulazione, risultando in fibre PAN rotonde e lisce.
- La fase finale del processo della fibra precursore PAN è l'oliatura, che impedisce al filamento di restare attaccato prima dell'avvolgimento.
2. Ossidazione (stabilizzazione)
- La preossidazione è il processo più lungo nel processo di preparazione della fibra di carbonio e la temperatura del forno di ossidazione varia da 392 gradi F a 572 gradi F (da 200 gradi a 300 gradi).
- Questo processo combina le molecole di ossigeno dell'aria con la fibra PAN e inizia a reticolare le catene polimeriche, aumentando la densità della fibra da 1,18 g/cc fino a 1,38 g/cc.
- Per evitare l'esotermicità incontrollata delle fibre PAN (si stima che l'energia esotermica totale rilasciata durante l'ossidazione sia pari a 2,000kJ/kg, il che costituisce un rischio di incendio), i produttori di forni di preossidazione utilizzano una varietà di design del flusso d'aria per aiuta a dissipare il calore e a controllare la temperatura. Il tempo di ossidazione varia a seconda della reazione chimica della fibra precursore, solitamente da 60 a 120 minuti, e ogni linea di produzione richiede da 4 a 6 forni, che possono essere impilati per fornire due zone di riscaldamento. Le fibre PAN ossidate contengono circa il 50% - 65% di molecole di carbonio e il resto è una miscela di idrogeno, azoto e ossigeno.
3. Carbonizzazione (il processo di grafitizzazione è necessario per preparare fibre di carbonio ad alto modulo)
- La reazione di carbonizzazione viene effettuata in un forno di carbonizzazione appositamente progettato e richiede la protezione di un'atmosfera inerte (priva di ossigeno).
- In assenza di ossigeno, solo le molecole non di carbonio tra cui acido cianidrico e altri COV (generati a una concentrazione di 40 - 80ppm durante la stabilizzazione) e i particolati vengono rimossi e scaricati dal forno ad alta temperatura, quindi post- trattati in un inceneritore a controllo ambientale.
- Durante il processo di carbonizzazione è necessario applicare una certa tensione di stiramento per ottimizzare la cristallizzazione delle molecole di carbonio per produrre fibre di carbonio con un contenuto di carbonio superiore al 90%. La differenza tra fibra di carbonio e fibra di carbonio ad alto modulo (nota anche come "fibra di grafite") è che la prima è una fibra carbonizzata a circa 1315 gradi /2400 gradi F con un contenuto di carbonio del 93% - 95%, mentre quest'ultimo è grafitizzato a 1900 - 2480 grado (3450 - 4500 grado F) e ha un contenuto di carbonio superiore al 99%. Il costo relativamente elevato delle fibre di carbonio ad alto modulo e altissimo modulo è in parte dovuto alla lunghezza del tempo di permanenza e alla temperatura che deve essere raggiunta nel forno ad alta temperatura.
4. Trattamento superficiale e dimensionamento
- L'adesione tra la resina della matrice e la fibra di carbonio è essenziale per rinforzare il materiale composito e, nel processo di produzione della fibra di carbonio, lo scopo del trattamento superficiale è migliorare questa adesione.
2. Processo di stampaggio a paletta in fibra di carbonio
1. Metodo di stampaggio
- Flusso di processo: preparazione del materiale → impilamento → ingresso nello stampo → pressatura a caldo → raffreddamento, sformatura → lavorazione e stampaggio → successiva macinazione e lucidatura, spruzzatura e macinazione, ecc. Prima di entrare nello stampo, pulizia dello stampo, preriscaldamento dello stampo e applicazione dell'agente distaccante dello stampo deve anche essere eseguito.
- Passaggi specifici
- Pulisci lo stampo: pulisci la resina residua e i detriti nello stampo dall'ultimo utilizzo e mantieni lo stampo pulito e liscio.
- Preriscaldare lo stampo: trattare termicamente lo stampo.
- Applicare l'agente distaccante: applicare una certa quantità di agente distaccante nella scanalatura dello stampo per evitare che il prodotto stampato e lo stampo aderiscano dopo il preriscaldamento.
- Preparare i materiali: preparare le materie prime in fibra di carbonio da trasformare in prodotti, calcolare l'area del materiale e il numero di fogli di materie prime.
- Materiali impilabili: impilare le materie prime strato per strato e prepressare i materiali impilati per formare un corpo denso con forma regolare e certa qualità.
- Entra nello stampo: posiziona le materie prime impilate nello stampo e metti un airbag di plastica all'interno, chiudi lo stampo, metti il tutto nella macchina per chiudere lo stampo, applica una certa pressione e temperatura costanti all'airbag di plastica interno, imposta una costante tempo per consolidarlo.
- Raffreddamento e sformatura: raffreddare per un periodo di tempo lo stampo pressato a caldo, quindi aprire lo stampo e sformarlo.
- Lavorazione e stampaggio: Dopo la sformatura il prodotto deve essere pulito, i residui di plastica devono essere raschiati via con una spazzola di acciaio o di rame, quindi puliti con aria compressa. Il prodotto stampato deve essere lucidato per rendere la superficie liscia e ordinata.
- Caratteristiche: adatto per la produzione di massa, qualità stabile, ma costi di produzione elevati e grandi investimenti.
2. Metodo di laminazione manuale
- Processo operativo: tagliare i fogli di fibra di carbonio impregnati di colla e impilarli, oppure spazzolare la resina su un lato dello strato, quindi pressarli a caldo.
- Caratteristiche: la direzione, la dimensione e lo spessore della fibra possono essere selezionati a piacimento. Il metodo è semplice ed economico. Può essere completato senza una macchina di grandi dimensioni. Il prezzo del prodotto è basso, ma la qualità non è relativamente buona quanto quella del prodotto con processo di stampaggio.
3. Metodo di stampaggio ad avvolgimento
- Ambito di applicazione: L'avvolgimento di monofilamenti in fibra di carbonio su alberi in fibra di carbonio è particolarmente adatto per realizzare cilindri e recipienti cavi, principalmente per la produzione di tubi in fibra di carbonio.
4. Metodo di stampaggio per estrusione e imbutitura
- Processo operativo: innanzitutto, infiltrare completamente la fibra di carbonio, rimuovere la resina e l'aria mediante estrusione e trafilatura, quindi polimerizzarla e modellarla nel forno.
- Caratteristiche: Semplice, adatta alla preparazione di particolari astiformi e tubolari.