Wie wird Kohlefaser hergestellt?

Die Kohlefaser, auch Graphitfaser oder Kohlenstoffgraphit genannt, besteht aus sehr dünnen Strängen des Elements Kohlenstoff. Kohlenstofffasern haben eine hohe Zugfestigkeit und sind für ihre Größe sehr fest. Tatsächlich könnte Kohlefaser das stärkste Material sein, das es gibt.

Jede Faser hat einen Durchmesser von 5-10 Mikron. Um ein Gefühl dafür zu geben, wie klein das ist, ist ein Mikron (um) 0,000039 Zoll. Ein Strang Spinnennetzseide liegt normalerweise zwischen 3 und 8 Mikron.

Kohlenstofffasern sind doppelt so steif wie Stahl und fünfmal so fest wie Stahl (pro Gewichtseinheit). Sie sind auch chemisch hochbeständig und haben eine hohe Temperaturtoleranz bei geringer Wärmeausdehnung.

Kohlenstofffasern sind wichtig für technische Materialien, die Luft- und Raumfahrt, Hochleistungsfahrzeuge, Sportgeräte und Musikinstrumente - um nur einige ihrer Verwendungen zu nennen.

Rohes Material

Kohlenstofffasern bestehen aus organischen Polymeren, die aus langen Molekülketten bestehen, die durch Kohlenstoffatome zusammengehalten werden. Die meisten Kohlenstofffasern (ungefähr 90 Prozent) werden aus dem Polyacrylnitril (PAN) -Verfahren hergestellt. Eine kleine Menge (ungefähr 10 Prozent) wird aus Rayon oder dem Erdölpechverfahren hergestellt. Gase, Flüssigkeiten und andere Materialien, die im Herstellungsprozess verwendet werden, erzeugen bestimmte Effekte, Eigenschaften und Qualitäten von Kohlenstofffasern. Die hochwertigsten Kohlenstofffasern mit den besten Modul-Eigenschaften werden in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Kohlefaserhersteller unterscheiden sich voneinander in den verwendeten Rohstoffkombinationen. Sie behandeln ihre spezifischen Formulierungen normalerweise als Geschäftsgeheimnisse.

Herstellungsverfahren

Während des Herstellungsprozesses werden die Rohstoffe, die als Vorläufer bezeichnet werden, zu langen Strängen oder Fasern gezogen. Die Fasern werden zu Stoff gewebt oder mit anderen Materialien kombiniert, die fadengewickelt oder zu gewünschten Formen und Größen geformt werden.

Bei der Herstellung von Kohlenstofffasern nach dem PAN-Verfahren gibt es normalerweise fünf Segmente. Diese sind:

1. Spinnen. PAN mit anderen Zutaten vermischt und zu Fasern versponnen, die gewaschen und gedehnt werden.
2. Stabilisieren. Chemische Veränderung zur Stabilisierung der Bindung.
3. Karbonisieren. Stabilisierte Fasern werden auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und bilden fest gebundene Kohlenstoffkristalle.
4. Behandlung der Oberfläche. Die Oberfläche der Fasern oxidiert, um die Bindungseigenschaften zu verbessern.
5. Größenbestimmung. Fasern werden beschichtet und auf Spulen gewickelt, die auf Spinnmaschinen geladen werden, die die Fasern zu Garnen unterschiedlicher Größe verdrehen. Anstatt zu Geweben gewebt zu werden, können Fasern zu Verbundstoffen geformt werden. Wärme, Druck oder Vakuum verbinden die Fasern zu Verbundwerkstoffen mit einem Kunststoffpolymer.

Herausforderungen bei der Herstellung

Die Herstellung von Kohlenstofffasern birgt eine Reihe von Herausforderungen, darunter:

• Die Notwendigkeit einer kostengünstigeren Wiederherstellung und Reparatur.
• Der Oberflächenbehandlungsprozess muss sorgfältig reguliert werden, um die Bildung von Pits zu vermeiden, die zu fehlerhaften Fasern führen können.
• Eine genaue Kontrolle ist erforderlich, um eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen.
• Gesundheits- und Sicherheitsfragen
• Hautreizung
• Reizung der Atmung
• Lichtbögen und Kurzschlüsse in elektrischen Geräten aufgrund der starken elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern.

Zukunft der Kohlefaser

Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und seines geringen Gewichts betrachten viele Carbonfasern als das bedeutendste Herstellungsmaterial unserer Generation. Kohlenstofffasern können in folgenden Bereichen eine immer wichtigere Rolle spielen:

• Energie: Windmühlenblätter, Erdgasspeicher und Transport, Brennstoffzellen.
• Autos: Die Kohlefasertechnologie, die derzeit nur für Hochleistungsfahrzeuge eingesetzt wird, wird immer häufiger eingesetzt. Im Dezember 2011 gab General Motors bekannt, dass es an Kohlefaserverbundwerkstoffen für die Massenproduktion von Automobilen arbeitet.
• Konstruktion: Leichtbetonfertigteil, Erdbebenschutz.
• Flugzeug: Verteidigungs- und Verkehrsflugzeuge. Unbemannte Luftfahrzeuge.
• Ölexploration: Tiefwasserbohrplattformen, Bohrrohre.
• Kohlenstoff-Nanoröhren: Halbleitermaterialien, Raumfahrzeuge, chemische Sensoren und andere Anwendungen.

Im Jahr 2015 hatte Kohlefaser eine Marktgröße von 2,25 Milliarden US-Dollar. Prognosen zufolge wird der Markt bis 2024 auf 31 Milliarden US-Dollar wachsen. Um dies zu erreichen, müssen die Kosten gesenkt und auf neue Anwendungen abgezielt werden.