1. Proses pembuatan bahan serat karbon
Proses pembuatan serat karbon rumit dan mahal. Berikut proses pembuatan serat karbon berbasis PAN:
1. Polimerisasi dan pemintalan
- Persiapan prekursor dimulai dengan monomer akrilonitril, yang dikombinasikan dengan komonomer akrilik plastis dan katalis (seperti asam itakonat, asam sulfat dioksida, asam sulfat atau asam metakrilat) di dalam reaktor. Bahan-bahan tersebut diaduk terus menerus untuk memastikan viskositas dan kemurnian, dan untuk memulai pembentukan radikal bebas dalam struktur molekul akrilonitril, menghasilkan polimer rantai panjang yang dapat membentuk serat akrilik.
- Serat PAN dibentuk dengan cara pemintalan basah atau pemintalan jet kering/basah (proses campuran). Pemintalan basah adalah dengan merendam larutan pekat dalam wadah koagulasi cair dan mengeluarkannya melalui lubang pada pemintal yang terbuat dari logam mulia (lubang pemintal sesuai dengan jumlah filamen serat PAN yang diperlukan). Serat pintal basah ditarik dengan pencucian air untuk menghilangkan kelebihan koagulan, kemudian dikeringkan dan diregangkan untuk terus meningkatkan orientasi polimer PAN; jet kering/pemintalan basah akan memiliki segmen udara antara serat dan wadah koagulasi, sehingga menghasilkan serat PAN bulat yang halus.
- Langkah terakhir dari proses serat prekursor PAN adalah meminyaki, yang mencegah derek saling menempel sebelum digulung.
2. Oksidasi (stabilisasi)
- Pra-oksidasi adalah proses terpanjang dalam proses persiapan serat karbon, dan suhu oven oksidasi berkisar antara 392 derajat F hingga 572 derajat F (200 derajat hingga 300 derajat).
- Proses ini menggabungkan molekul oksigen dari udara dengan serat PAN dan mulai menghubungkan rantai polimer, sehingga meningkatkan kepadatan serat dari 1,18g/cc hingga 1,38g/cc.
- Untuk menghindari eksotermisitas serat PAN yang tidak terkendali (total energi eksotermik yang dilepaskan selama oksidasi diperkirakan sebesar 2,000kJ/kg, yang menimbulkan bahaya kebakaran), produsen oven pra-oksidasi menggunakan berbagai desain aliran udara untuk membantu menghilangkan panas dan mengontrol suhu. Waktu oksidasi bervariasi tergantung pada reaksi kimia serat prekursor, biasanya 60 hingga 120 menit, dan setiap jalur produksi memerlukan 4 hingga 6 oven, yang dapat ditumpuk untuk menyediakan dua zona pemanasan. Serat PAN yang teroksidasi mengandung sekitar 50% - 65% molekul karbon, dan sisanya merupakan campuran hidrogen, nitrogen, dan oksigen.
3. Karbonisasi (proses grafitisasi diperlukan untuk menyiapkan serat karbon modulus tinggi)
- Reaksi karbonisasi dilakukan dalam tungku karbonisasi yang dirancang khusus dan memerlukan perlindungan atmosfer inert (bebas oksigen).
- Dengan tidak adanya oksigen, hanya molekul non-karbon termasuk hidrogen sianida dan VOC lainnya (dihasilkan pada konsentrasi 40 - 80ppm selama stabilisasi) dan partikulat yang dikeluarkan dan dibuang dari tungku suhu tinggi, dan kemudian pasca- diproses dalam insinerator yang ramah lingkungan.
- Ketegangan regangan tertentu harus diterapkan selama proses karbonisasi untuk mengoptimalkan kristalisasi molekul karbon untuk menghasilkan serat karbon dengan kandungan karbon lebih dari 90%. Perbedaan antara serat karbon dan serat karbon modulus tinggi (juga dikenal sebagai "serat grafit") adalah serat karbon pertama merupakan serat yang dikarbonisasi pada suhu sekitar 1315 derajat /2400 derajat F dengan kandungan karbon 93% - 95%, sedangkan yang terakhir dibuat grafit pada 1900 - 2480 derajat (3450 - 4500 derajat F) dan memiliki kandungan karbon lebih dari 99%. Biaya serat karbon modulus tinggi dan modulus ultra-tinggi yang relatif tinggi sebagian disebabkan oleh lamanya waktu tinggal dan suhu yang harus dicapai dalam tungku suhu tinggi.
4. Perawatan dan ukuran permukaan
- Adhesi antara resin matriks dan serat karbon sangat penting untuk memperkuat material komposit, dan dalam proses pembuatan serat karbon, tujuan perawatan permukaan adalah untuk meningkatkan adhesi ini.
2. Proses pencetakan dayung serat karbon
1. Metode pencetakan
- Alur proses: persiapan bahan → penumpukan → pemasukan cetakan → pengepresan panas → pendinginan, pembongkaran → pemrosesan dan pencetakan → kemudian penggilingan dan pemolesan, penyemprotan dan penggilingan, dll. Sebelum memasuki cetakan, pembersihan cetakan, pemanasan awal cetakan, dan aplikasi agen pelepas cetakan juga harus dilakukan.
- Langkah-langkah spesifik
- Bersihkan cetakan: bersihkan sisa resin dan kotoran pada cetakan dari penggunaan terakhir, dan jaga cetakan tetap bersih dan halus.
- Panaskan cetakan: panaskan cetakan.
- Oleskan bahan pelepas: oleskan sejumlah bahan pelepas ke dalam alur cetakan untuk mencegah produk cetakan dan cetakan saling menempel setelah pemanasan awal.
- Menyiapkan bahan : menyiapkan bahan baku serat karbon untuk dijadikan produk, menghitung luas bahan dan jumlah lembaran bahan baku.
- Penumpukan bahan: susun bahan baku selapis demi selapis, dan tekan terlebih dahulu bahan yang ditumpuk hingga membentuk badan padat dengan bentuk teratur dan kualitas tertentu.
- Masukkan cetakan: masukkan tumpukan bahan mentah ke dalam cetakan, masukkan kantung udara plastik ke dalam, tutup cetakan, masukkan seluruhnya ke dalam mesin penutup cetakan, berikan tekanan dan suhu konstan tertentu ke kantung udara plastik internal, atur konstan waktu untuk memantapkannya.
- Pendinginan dan pembongkaran: dinginkan cetakan yang telah dipres panas selama beberapa waktu, kemudian buka cetakan dan demolding.
- Pemrosesan dan pencetakan: Produk perlu dibersihkan setelah proses demoulding, dan sisa plastik perlu dikikis dengan sikat baja atau sikat tembaga, lalu ditiup hingga bersih dengan udara bertekanan. Produk yang dicetak harus dipoles agar permukaannya halus dan rapi.
- Fitur: Cocok untuk produksi massal, kualitas stabil, tetapi biaya produksi tinggi dan investasi besar.
2. Metode laminasi hand lay-up
- Proses pengoperasian: Potong lembaran serat karbon yang diresapi lem dan susun, atau olesi resin di satu sisi lapisan, lalu tekan dengan panas.
- Fitur: Arah, ukuran dan ketebalan serat dapat dipilih sesuka hati. Caranya sederhana dan biayanya murah. Itu bisa diselesaikan tanpa mesin besar. Harga produknya murah, namun kualitasnya relatif tidak sebaik produk dengan proses pencetakan.
3. Metode pencetakan berliku
- Lingkup aplikasi: Menggulung monofilamen serat karbon pada poros serat karbon sangat cocok untuk membuat silinder dan bejana berongga, terutama untuk produksi tabung serat karbon.
4. Metode ekstrusi dan pencetakan gambar
- Proses operasi: Pertama, infiltrasi seluruhnya ke dalam serat karbon, keluarkan resin dan udara dengan cara ekstrusi dan penarikan, lalu keringkan dan bentuk di dalam tungku.
- Fitur: Sederhana, cocok untuk menyiapkan bagian berbentuk batang dan tabung.