ویکی‌پدیا

الیاف کربن

الیاف کربن (به انگلیسی: Carbon fibers) یکی از پرکاربردترین الیاف در صنعت است؛ و در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی درمقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند. ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم می‌باشد که این مسئله باعث پایداری طولی و اندازهٔ الیاف کربن در دماهای مختلف می‌گردد.

پارچهٔ ساخته شده از الیاف کربن

الیاف کربن از فیبرهایی با قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر (یکا) قطر تشکیل شده‌اند. نخ الیاف کربن با چگالی خطی (وزن در طول واحد؛ یعنی ۱ گرم در ۱۰۰۰ متر = ۱) یا بر پایهٔ تعداد رشته‌ها در هر نخ، است. بنابراین چگالی این الیاف می‌تواند حدود ۱٫۸ تا ۲ g/m³ باشد.

فیبر کربن عنصری با چگالی‌ای به‌طور متوسط در حدود 1.9 g/m³ گرفته شود و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آن‌ها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتاً بالا است. این مسئله باعث محدودیت فروش الیاف کربن می‌گردد.

فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته و مقاومت‌های کششی مختلف و با بافت‌های مختلف شامل الیاف کربن تک جهته[۱] و الیاف دو جهته کربن برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌گردند. با توجه به نیاز صنعت‌های مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده‌ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزن‌های مختلف و عرض‌تمیزکاری‌های مختلف ارائه می‌شوند.

معمولاً دسته‌بندی الیاف کربن بر مبنای وزن آن‌ها انجام می‌گیرد. برای مثال الیاف کربنی که با عنوان UD200 نام گذاری می‌شود، وزنی برابر ۲۰۰ گرم در هر متر مربع دارد.[۲]

مزایای الیاف کربن ویرایش

  • نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا (مقاومت کششی فوق‌العاده نسبت به وزن آن (الیاف کربن تقریباً یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت کششی دارد).)
  • نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
  • استحکام مناسب در برابر خستگی
  • ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین (کامپوزیت‌های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد)
  • قابلیت بافت و تولید پارچه
  • مقاومت بالا در برابر خوردگی (دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعهX از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به‌شمار می‌رود)
 
نمونه از شکست فیبر کربن استفاده شده در شاتل فضایی شکست فیبر کربن به دلیل کرنش کشسانی پایین مانند مواد ترد می‌باشد و دچار تغییر شکل مانند فلزات نمی‌شود

معایب الیاف کربن ویرایش

  • کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
  • کربن هادی الکتریکی است. هدایت الکتریکی بالا ممکن است سبب ایجاد اتصالات کوتاه در قطعات غیر عایق الکتریکی گردد.
  • کرنش کم در لحظه شکست
  • قیمت بالا
  • مقاومت ضربه‌ای کم[۳]

خواص الیاف کربن[۴] ویرایش

این خواص از انتخاب ماده خام پلیمر اولیه، شرایط کربنیزاسیون و عملیات حرارتی و همچنین افزودنی‌های خاص متأثر می‌شود.

خواص مکانیکی ویرایش

الیاف کربن بر پایه PAN ,Gpa 400- 200 مدول یانگ، تحت کشش طولی الیاف نشان می‌دهند. هنگامی که از جهت عرضی کشیده شود مدول یانگ Gpa 25- 5 و استحکام فشاری نیز Gpa است.

به نظر می‌رسد که مدول یانگ الیاف کربن و البته به آرایش یافتگی بلورهای گرافیت در الیاف کربن است. در حالی که استحکام به وسیله اتصال بین لیفی تعیین می‌شود.

مقاومت شیمیایی ویرایش

یکی از خواص الیاف کربن که قابلیت استفاده از آن را در کاربردهای آینده در زمینه‌های فراوان تا حد زیادی اثبات می‌کند. مقاومت آن در برابر عوامل مهاجم است این خاصیت به ویژگی‌های ساختاری الیاف کربن مربوط است و اصولاً به نوع ماده خام اولیه، دمای عملیات حرارتی و به حالت وجودی المان‌ها در الیاف بستگی دارد.

پیداست که مقاومت اسیدی الیاف کربن با افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش می‌یابد چون سهم باندهای پایدارتر افزایش می‌یابد حال آنکه ساختار کربن کاملتر مانع از نفوذ واکنش‌گر به شبکه الیاف می‌شود.

بنابراین در دمای اتاق تغییرات ناچیزی در الیاف کربن مشاهده می‌شودحتی بعد از آنکه یک دوره طولانی در معرض سیال خورنده قرار بگیرد. پایداری الیاف کربن در دماهای بالا کاهش می‌یابد مخصوصاً اگر عوامل مهاجم اکسیژن دار باشند (به عنوان مثال اسید نیتریک، هیژوکلرید سدیم)

خواص الکتریکی ویرایش

به‌طور کلی، مقاومت الکتریکی الیاف کربن به سه روش اصلی کنترل می‌شود: ۱- با رژیم دمایی- حرارتی در طول مراحل تشکیل الیاف، شامل عملیات حرارتی ناگهانی سطح ۲- کشش آرایش دهنده الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون ۳- اضافه کردن المان‌های شیمیایی و گروه‌های عاملی به ساختار مواد خام اولیه یا الیاف کربن. مقاومت الکتریکی الیاف کربن به دمای کربنیزاسیون بستگی دارد، اگر دمای کربنیزاسیون در محدوده ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد. کاهش سریع مقاومت الکتریکی مشاهده می‌شود. اگر دمای کربنیزاسیون ۹۰۰–۸۰۰ درجه سانتی گراد باشد. این کاهش کندتر می‌شود و فرایند کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد با تغییرات ناچیز مقاومت الکتریکی همراه است.

تغییرات مقاومت الکتریکی ممکن است به خاطر نوسانات در قطر الیاف باشد افزایش دمای عملیات حرارتی همزمان با اعمال کشش خارجی باعث رشد کریستالها در الیاف کربن می‌شود به علت افزایش اندازه بلور و کاهش فاصله درون بلوری، کاهش فاصله نوار انرژی مشاهده می‌شود؛ که این باعث افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.

فیبر الیاف کربن ویرایش

 
یک تار الیاف کربن ۶میکرونی در مقایسه با موی انسان

الیاف کربن معمولاً بر اساس تعداد فیلامنت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، و دمای نهایی عملیات حرارتی به الیاف تک جهته کربن و الیاف کربن دو جهته دسته‌بندی می‌گردند.

الیاف کربن بر اساس تعداد فیلامنت ویرایش

  1. رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک
  2. رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند،

بر اساس ویژگی خواص مکانیکی ویرایش

  1. الیاف کربن به صورت فیبر کربن با مدول الاستیک بالا (۳۵۰–۴۵۰ GPa)
  2. الیاف کربن با مدول متوسط (۲۵۰–۳۵۰ GPa)
  3. الیاف کربن با مقاومت کششی گسیختگی بالا و مدول پایین (مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال و مدول کمتر از ۲۰۰۰ گیگا پاسکال (مدول فولاد حدود ۲۰۰ گیگا پاسکال می‌باشد))

دسته‌بندی الیاف و فیبرهای کربن بر اساس مبنای کامپوزیت در نظر گرفته شده ویرایش

  • الیاف و فیبر کربن بر اساس مبنای زمینه به صورت فیبر کربن با مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)،
  • فیبر کربن با مبنای قیر صنعتی، فیبر کربن با مبنای قیر مزو فاز، فیبر کربن با مبنای قیر ایزوتروپیک،
  • فیبر کربن با مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)
  • فیبر کربن با مبنای فاز گازی

دسته‌بندی می‌شوند.

در مجموع در این حالت الیاف کربن را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از ویرایش

  1. الیاف کربن با مبنای الیاف مصنوعی، که با نام شیمیایی پلی آکریلونیتریل (PAN) شناخته می‌شوند، مقاومت بسیار زیادی دارند ولی این نوع قیمت الیاف کربن گران است.
  2. الیاف کربن با مبنای قیری، که از تقطیر زغال سنگ به دست می‌آیند و از الیاف کربن PAN ارزان‌تر هستند؛ ولی مقاومت و مدول الاستیسیته کم‌تری دارند.

الیاف کربن بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی ویرایش

  1. الیاف MH (دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس، محتوای کربن بیش از ۹۹ درصد وزنی)؛
  2. الیاف SH (دمای حدود ۱۵۰۰ درجه، محتوای کربن ۹۱ الی ۹۹ درصد وزنی)
  3. الیاف TH (دمای کمتر از ۱۰۰۰ درجه با استحکام پایین کاربرد، محتوای کربن بالای ۹۰ درصد وزنی)

کاربرد الیاف کربن ویرایش

الیاف کربن صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:

کاربرد الیاف کربن در صنعت ساختمان ویرایش

مقاوم‌سازی ساختمان و تقویت سازه‌ها با الیاف کربن، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت‌کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه‌های پس کششی و پیش تنیده کربنی در سازه‌های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل‌ها.[۵]

 
خودرو McLaren F1نخستین خودروی تولید شده می‌باشد که تمامی بدنه ان از جنس فیبر کربن است در سال ۱۹۹۶میلادی

کاربرد الیاف کربن در صنعت خودرو ویرایش

مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت‌های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و…

در صنایع خودرو و به خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند.

 
بدنه هواپیمای فوق پیشرفته B2 از جنس فیبر الیاف کربن می‌باشد.
 
این هواپیمای فین ایر که توسط کمپانی ایرباس ساخته شده‌است ۳۵درصد مواد مصرف شده در ان از جنس الیاف کربن می‌باشند.

فیبر کربن زیبایی خاص و دلفریبی دارد، اما گران است و شکننده. به همین علت است که در حال حاضر فلزات کاربرد خاص خودشان را حفظ کرده‌اند و در صورت نیاز و به تناسب هزینه، از کربن هم استفاده می‌شود.[۶]

کاربرد الیاف کربن در صنایع هوا فضا و هواپیماسازی ویرایش

اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی‌های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش‌های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …

در صنایع هوایی وزن کم و استحکام بسیار بالای فیبر کربن هزینه‌ها را جبران کرده و کمپانی‌های بزرگ مثل بویینگ و ایرباس به وفور از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند.

 
دم یک نوع بالگرد که از جنس پلیمر الیاف کربن ساخته شده‌است به دلیل استحکام بالا و سبکی بسیار نسبت به فلزات رایج

صرف‌نظر از هزینه، سختی بالای کربن به معنی شکنندگی آن است. در حقیقت موادی که حالت کریستالی دارند، تا حدی ترد و شکننده هستند و کربن هم از این قاعده مستثنی نیست. این شکنندگی گاهی دردسرساز می‌شود.

به عنوان مثال بویینگ در آن روزهای ابتدایی تولید بویینگ ۷۸۷ متوجه ترک‌هایی شد که در ابتدا به راحتی و مثل فلزات آشکار نبود. همین کشف ساده منجر به توقف تولید و تقویت مجدد پنل بال شد.[۷]

کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی ویرایش

ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی ویرایش

  • ساخت پره توربین‌های کربنی و آسیاب‌های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
  • کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین‌سازی
  • ساخت چرخ دنده‌های کربنی، غلتک‌های کربنی، چرخ دنده‌های پرسرعت کربنی، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن‌های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن‌های همراه و …

یکی از مهم‌ترین دلایل سرعت کم نفوذ فیبر کربن در صنایع مختلف، بالا بودن قیمت الیاف کربن می‌باشد. امروزه بیشترین توجه شرکت‌ها، بر روی روشی جهت کاهش قیمت الیاف کربن و ارتقاء فروش الیاف کربن متمرکز شده‌است.[۸]

شیوه‌های کاهش قیمت الیاف کربن در سه حوزه کاهش قیمت:

  1. شرایط تولید
  2. بهینه‌سازی خصوصیات الیاف
  3. کاهش قیمت تجهیزات
 
نمونه دیگری از کاربرد کامپوزیت کربن که با نام کولار معروف است و در صنایح تولیدی مختلفی کاربرد دارد از جمله کشتیرانی و صنایعی چون تولید دستکش‌های خاص و لباس‌های ضد حریق و…

قابل بررسی می‌باشد. پیشرفت در هر کدام از این حوزه‌ها، تأثیر بسیار مهمی در قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن خواهد داشت.[۹]

تاریخچه الیاف کربن ویرایش

الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز گردید. بعد از سال ۱۹۸۰ نیز تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن شد.[۱۰]

 
تولید فیبرهای کربن معمولاً با یک روش خاص و یکسان انحام نمی‌شود غالباً با توجه به نیاز و اندازه و تعداد قطعات به صورت موضعی فیبر کربن را تولید می‌کنند نه به صورت پروفیل‌های خام و تولید انبوه

روش تولید الیاف کربن ویرایش

الیاف کربن از طریق پیرولیز مبناهای آلی که به شکل الیاف هستند، تولید می‌گردند.

ویژگی فیزیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت‌گیری الیاف پیش زمینه یا مبنا و کاهش ضعف‌های موجود، بهبود می‌یابند. بدین ترتیب، مناسبترین روش در فرایند تولید الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف مبنا با بیشترین مقدار جهت‌گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش می‌باشد. الیاف اکریلیک به دلیل داشتن بیش از ۵۵ درصد کربن در ساختار خود، یکی از بهترین پیش‌زمینه‌ها جهت تولید الیاف کربن می‌باشد.[۱۱]

تولید الیاف کربن بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل ویرایش

شامل سه فاز زیر می‌باشد:

فاز پایدارسازی اکسیداسیونی ویرایش

در این مرحله الیاف اکریلیک هم‌زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.

فاز کربونیزاسیون ویرایش

پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می‌گیرند.

فاز گرافیتاسیون ویرایش

با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.

فرایند تولید الیاف کربن بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها نیز، مشابه مراحل فوق است.

مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره‌ای خطی به ساختار صفحه‌ای تغییر می‌کند.

 
فیبر کربن استفاده شده در شاشی خودروها در این نمونه شاسی از جنس آلومینیوم است که با فیبر کربن تقویت شده‌است با اینکار می‌توان از خاصیت نرمی آلومینیوم استفاده کرد و تُردی فیبر کربن را تا حدودی خنثی نمود

هر چه مقاومت کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی الیاف کربن بدست آمده بیشتر خواهد شد. هرگاه مرحله پایدارسازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. در مجموع مقاومت نهایی و گسیختگی الیاف کربن به نوع الیاف مبنای پیش زمینه، شرایط فرایند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.[۱۲]

نانو الیاف کربن ویرایش

روش‌های متنوعی برای تولید نانو الیاف کربن وجود دارد به عنوان مثال: رشد بخار (Vapor growth)، قوس الکتریکی (arc discharge)، برش لیزر (laser ablation) ورسوب سازی با غبار شیمیایی (chemical vapor deposition) با این حال این روش‌ها بسیار گران هستند که این بخاطر بازده تولید کم و قیمت بالای تجهیزات آنهاست. از سوی دیگر الکتروریسی به آسانی الیافی با قطر μm10- nm20 را تولید می‌کند. پارچه بافته نشد PAN به عنوان پیش ماده از طریق فرآیندهای پایدار سازی و کربنیزاسیون برای تولید نانو الیاف کربن به کار می‌رود. این نوع از کامپوزیت نانو الیاف کربن قابلیت استفاده به عنوان فیلتر برای جداسازی ذرات ریزگاز یا مایع، بستر کاتالیست‌های دما بالا، مواد تنظیم کننده دما در هواپیما و ابزارهای نیمه هادی همچنین گزینه نوید بخش برای ابزارهای الکترونیکی کوچک، باتری‌های قابل شارژ، و سوپر خازن‌ها را دارا می‌باشند.

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی فرایندی است که الیاف PAN اولیه را به الیاف کربن تبدیل می‌کند. فرایند کردن در دماهای بالا سبب مدول بالاتر الیاف می‌شود زیرا باعث خارج شدن ناخالصی‌ها از الیاف به شکل مواد جانبی فرار می‌شود. در طول عملیات حرارتی الیاف منقبض شده و قطر آن‌ها کم می‌شود، که باعث بهبود ساختار و بالا رفتن استحکام، از طریق خارج کردن محتوای نیتروژن آغازین از ماده اولیه PAN و تنظیم نیتروژن می‌شود.

در یک شرایط کنترل شده و مناسب، استحکام الیاف پس از این فرایند پیرولیز می‌تواند به بیش از Gpa400 برسد.

پایدار سازی ماده اولیه

در میان فرایندهای تبدیل یاد شده، یک مرحله اساسی و زمان بر در تبدیل الیاف PAN به الیاف کربن پر بازده، مرحله پایدارسازی اکسایشی است این مرحله با واکنش‌های شیمیایی که در این فرایند درگیر هستند، تعریف می‌شود. پایدار سازی الیاف PAN اغلب اوقات در محیط‌های اکسید کننده (هوا، اکسیژن، مخلوط اکسیژن با گازهای بی‌اثر) در دمای بالای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود.

در این مرحله ساختارهای حلقوی زنجیری تشکیل می‌شود که پایداری حرارتی ماکرومولکول‌ها و سختی پلیمر را افزایش می‌دهد. درابتدا الیاف PAN کشیده می‌شوند و به‌طور همزمان در محدوده دمایی oc300- 200 اکسیده می‌شوند. این عملیات حرارتی ترموپلاستیک PAN را به یک غیر پلاستیک حلقوی با یک ترکیب نردبانی تبدیل می‌کند.

این واکنش‌ها شامل حلقوی شدن، هیدروژن زدایی، آروماتیزه شدن، اکسیده شدن و اتصالات عرضی می‌شوند که باعث تشکیل ساختار نردبانی می‌گردند.

واکنش اکسایش

فرایند اکسایش، کمترین فرایند در طول پایدارسازی PAN اولیه است که شدیداً به مادهٔ اولیه وابسته است. از نظر تجاری، پایدارسازی الیاف PAN در یک محیط اکسنده که غالباً هواست انجام می‌شود. هنگامی که PAN در هوا پایدار سازی می‌شود، گرمازایی واکنش تا حدودی مربوط به واکنش با اکسیژن است. اگرچه پایدارسازی را در یک محیط بی اثر نیز می‌توان انجام داد، اما پلیمری که در زنجیر اصلی خود دارای گروه‌های حاوی اکسیژن است که ساختارهای نردبانی را بازتر می‌کنند برای تحمل دماهای بالاتر در فرایند کربنیزاسیون، پایداری بیشتری نشان می‌دهد.

واکنش حلقوی شدن

آخرین واکنش مورد بحث، حلقوی شدن است که مهم‌ترین واکنش در پایدارسازی الیاف PAN است. حلقوی شدن به واکنش گروه‌های نیتریل در پلیمر اولیه با گروه‌های مجاور به منظور تشکیل یک پلیمر نردبانی گفته می‌شود و آن را با معادله سینتیک درجه ۱ می‌توان توصیف کرد. حلقوی شدن مهم‌ترین واکنش در فرایند پایدارسازی است. حلقوی شدن گروه‌های نیتریل یک واکنش گرمازا است و این واکنش با تکامل محصولات بی دوام همراه است.

این فرایند برای متصل نگه داشتن مولکول‌ها به یکدیگر و افزایش سختی لازم است. به علاوه، پایدارسازی PAN سبب تغییر رنگ نیز می‌شود.

در طول فرایند پایدارسازی، ساختار PAN دستخوش فرایند حلقوی شدن می‌شود؛ و ساختار باند سه‌گانه به ساختار باند دوگانه تبدیل می‌شود و یک پدیدین حلقوی ۶ ضلعی حاصل می‌شود.

کربن رشته ای ویرایش

کربن رشته ای یک ساختار رسوبی حاوی کربن است که به چندین آلوتروپ کربن از جمله نانولوله های کربنی ، نانوالیاف کربنی و میکروکویل ها اشاره دارد. [۱۳] [۱۴] [۱۵] از ترکیبات کربن گازی تشکیل می شود. [۱۳] ساختارهای کربن رشته ای همگی حاوی ذرات فلزی هستند. اینها یا آهن ، کبالت ، یا نیکل یا آلیاژهای آنها هستند. رسوبات آن نیز به طور قابل توجهی متاناسیون گاز سنتز را مختل می کند. [۱۶] استیلن در تعدادی از روش های تولید کربن رشته ای نقش دارد. ساختارهای کربن رشته ای مزو متخلخل و از نظر ابعاد در مقیاس میکرومتر هستند. بیشتر واکنش هایی که ساختارها را تشکیل می دهند در ۲۸۰ درجه سلسیوس (۵۳۶ درجه فارنهایت) یا بالاتر از آن رخ می دهند .

از کاربردهای کربن رشته ای می توان به پاکسازی نشت نفت خام و ایجاد کامپوزیت های قوی و سبک وزن اشاره کرد. کربن رشته ای همچنین دارای خواص ترمودینامیکی قابل توجهی با گرافیت، شکل دیگری از کربن است. با این حال، کربن رشته ای تا حدی از صفحات گرافیت تشکیل شده است.

 
نانو لوله کربنی

ویژگی ها ویرایش

ساختارهای کربن رشته ای معمولاً بین 10 تا 500 نانومتر قطر دارند. آنها معمولاً 10000 نانومتر (10 میکرومتر) طول دارند. ساختار دوبلکس دارند. بیرون سازه ها به سختی اکسید می شوند، اما هسته راحت تر اکسید می شود. یک ذره فلزی معمولاً در انتهای در حال رشد سازه قرار دارد، اگرچه گاهی اوقات به جای آن در وسط آن یافت می شود. همچنین، گاهی اوقات بیش از یک رشته می تواند از یک ذره فلزی رشد کند. کربن رشته ای یا مارپیچ، مستقیم یا پیچ خورده است.[۱۷] این شامل لایه های گرافیتی به شکل مخروطی است.صفحات گرافیتی که نزدیک به سطح مشترک بین کربن و اتم نیکل در رشته قرار دارند با سطح مشترک موازی هستند. رشته ها همچنین می توانند توخالی باشند.[۱۸]

کربن رشته ای دارای خواص ترمودینامیکی است که با گرافیت متفاوت است. این تا حدی به دلیل این واقعیت است که ساختار کربن رشته ای بیش از ساختار گرافیت بی نظم است. تئوری های دیگر در مورد تفاوت در خواص عبارتند از این که انحراف بر اساس تشکیل فاز میانی کاربید است. این نظریه توسط De Bokx و همکاران ارائه شده است. و منینگ و همکاران.. با این حال، بعید است که اتم فلز مرکزی نیکل باشد زیرا در این حالت، از آنجایی که کاربیدها در دمای 350 درجه سانتیگراد (662 درجه فارنهایت) تجزیه می شوند و تشکیل کاربیدها در طول چنین واکنشی مشاهده نشد.[۱۹]

تفاوت بین حلالیت های فلز و کربن رشته ای باعث انتشار کربن نیز می شود.[۲۰] هنگامی که آلوتروپ در یک واکنش گازی شدن زیر 600 درجه سانتیگراد (1112 درجه فارنهایت) شرکت می کند، انرژی فعال سازی واکنش تقریباً 178 کیلوژول در هر مول است.[۲۱]

کربن رشته ای مزو متخلخل است و خواص بافتی غیرمعمولی دارد.[۲۲] همچنین دارای خواص پارامغناطیس است[۲۳] همچنین از استحکام مکانیکی بالایی برخوردار است.[۲۴]

ذرات نیکل واقع در کربن رشته ای که در گاز متان و هیدروژن بین 490 درجه سانتیگراد (914 درجه فارنهایت) و 590 درجه سانتیگراد (1094 درجه فارنهایت) رشد می کند، در انتهای بالاتر محدوده دما به شکل گلابی هستند. در دماهای بالاتر، ذرات فلز تغییر شکل می دهند. طول ساختار مخروطی رشته ها نیز با افزایش دما افزایش می یابد. هنگامی که یک کاتالیزور مس و سیلیس در دمای 927 درجه سانتیگراد (1701 درجه فارنهایت) در معرض متان و هیدروژن قرار می گیرد، ساختارهای کربنی رشته ای توخالی و دراز تشکیل می شود و اینها همچنین حاوی قطرات فلز هستند.[۲۵]

خواص بیولوژیکی ویرایش

هنگامی که آنزیم گلوکوآمیلاز روی سطح سرامیکی پوشیده شده با کربن رشته ای قرار می گیرد، پایداری آنزیم به شدت افزایش می یابد.[۲۶]

وقوع ویرایش

کربن رشته ای معمولاً روی فلزات از جمله آهن، کبالت و نیکل تشکیل می شود.هیدروژن نیز برای تشکیل کربن رشته ای مورد نیاز است.[۲۷] با این حال، آنها همچنین بر روی آلیاژهای این فلزات تشکیل می شوند.[۲۸] آهن ماده بهتری برای تشکیل کربن رشته ای نسبت به نیکل است.[۲۹] به عنوان مثال، در حضور متانول، در فشار 7 کیلو پاسکال و دمای 500 درجه سانتی گراد (932 درجه فارنهایت)، کربن رشته‌ای روی آهن رشد می‌کند، اما روی نیکل رشد نمی‌کند.[۲۹] تشکیل مواد روی آن فلزات معمولاً در دمای بین 327 درجه سانتی گراد (621 درجه فارنهایت) و 1027 درجه سانتی گراد (1881 درجه فارنهایت) رخ می دهد..[۳۰] همچنین زمانی تشکیل می شود که کروم به عنوان کاتالیزور برای تجزیه استیلن استفاده شود.[۳۱] کربن رشته‌ای نیز یکی از هفت آلوتروپ کربن است که در طی تشکیل کک روی لوله‌های راکتور و کاتالیزورها تشکیل می‌شود. آلوتروپ توانایی تخریب ساختارهای پشتیبانی کاتالیزور را دارد و در نتیجه راکتورها را مسدود می کند. همچنین در طول اصلاح جریان، همراه با انواع دیگر کربن تشکیل می شود.[۳۲]

 
کک

سنتز ویرایش

کربن رشته ای را می توان با شکستن متان نیز سنتز کرد. سپس محصول توسط هیدروژن تبدیل به گاز می شود. در آزمایشی که این موضوع را کشف کرد، از یک ذره نیکل به عنوان ذره فلزی رشته استفاده شد. رشته در "سمت حمایت" ذره نیکل رسوب می کند.[۳۳]

هنگامی که استیلن بر روی لایه های پالادیوم و دی اکسید سیلیکون تجزیه می شود، کربن رشته ای نیز می تواند تشکیل شود. با این حال، اگر لایه‌های پالادیوم و دی‌اکسید سیلیکون از قبل با هیدروژن در دمای 597 درجه سانتی‌گراد (1107 درجه فارنهایت) گرم شوند، کربن رشته‌ای تشکیل نمی‌شود. این به این دلیل است که در آن شرایط، پالادیوم و دی اکسید سیلیکون واکنش می دهند و سیلیسید پالادیوم را تشکیل می دهند. آهن و دی اکسید سیلیکون با هم به عنوان یک کاتالیزور برای تشکیل ساختارها عمل می کنند. گاهی در طی این واکنش سیلیکات آهن تشکیل می شود.[۳۴]

آزمایش دیگری نشان داد که وقتی مونوکسید کربن نسبت به اکسید کبالتوزیک نامتناسب می‌شود، کربن رشته‌ای تشکیل می‌شود. در این آزمایش، یک مخلوط گاز کربوردار گرم شده روی اکسید کبالتوزیک پودر فرستاده شد. کربن رشته ای رسوب اصلی است که از این واکنش در دمای 600 درجه سانتیگراد (1112 درجه فارنهایت) تشکیل می شود.[۳۵]

هنگامی که کلروبنزن روی نیکل و سیلیس هیدرودکلره می شود، ساختارهای بسیار منظمی از کربن رشته ای تشکیل می شود. هنگامی که پتاسیم و برم وجود دارد، این واکنش می تواند در دمای پایین 280 درجه سانتیگراد (536 درجه فارنهایت) رخ دهد. این به این دلیل است که پتاسیم و برم به بازسازی مکان‌های فعال کمک می‌کنند، بنابراین باعث جذب شیمیایی مخرب واکنش‌دهنده و همچنین تشکیل رسوب کربن می‌شوند. افزودن هیدروکسید پتاسیم به مخلوط نیکل و سیلیس در واکنش، تغییر کمی در بازده واکنش ایجاد کرد. با این حال، افزودن بروماید پتاسیم به طور قابل توجهی باعث افزایش عملکرد شد.[۳۶] سایر برمیدهای فلز قلیایی نیز اجازه می دهند تا واکنش و تشکیل کربن رشته ای رخ دهد. از جمله برومیدهای فلز قلیایی می توان به برومید سزیم اشاره کرد.[۳۷]

کربن رشته ای همچنین می تواند با تجزیه کاربید کروم در 100 تا 200 مگا پاسکال و 350 درجه سانتی گراد (662 درجه فارنهایت) تا 800 درجه سانتی گراد (1470 درجه فارنهایت) سنتز شود.[۳۸] همچنین با کاتالیزور کبالت و فسفات آلومینیوم در 2 مگا پاسکال و 220 درجه سانتیگراد (428 درجه فارنهایت) تا 240 درجه سانتیگراد (464 درجه فارنهایت) تشکیل شده است. وجود روتنیم در این واکنش باعث کاهش بازده کربن رشته ای می شود.[۳۹]

کاربردها ویرایش

کربن رشته ای برای پاکسازی نشت نفت استفاده شده است. این کار با اتصال رشته ها به نفت خام انجام می شود.[۴۰] همچنین در مواد کامپوزیتی سبک که باید در دماهای بالا استحکام داشته باشند استفاده می شود.[۴۱]

تاریخچه ویرایش

کربن رشته ای حداقل از سال 1890 شناخته شده است، زمانی که P. و L. Schützenberger آن را هنگام عبور سیانوژن از روی چینی داغ مشاهده کردند.[۴۲] در دهه 1950 کشف شد که این رشته ها می توانند از واکنش گازهایی مانند هیدروکربن ها با فلزاتی مانند آهن، کبالت و نیکل تولید شوند. اولین میکروگراف الکترونی از نسخه های لوله ای رشته ها در سال 1952 ظاهر شد. [۴۲] بین دهه 1970 و 1990، کربن رشته ای موضوع تعدادی از تلاش های تحقیقاتی بوده است. این مطالعات شامل مطالعات خواص ترمودینامیکی تشکیل آلوتروپ بود.[۴۳]مهم‌ترین مطالعه‌ای که در آن زمان انجام شد توسط تری بیکر در دهه 1970 انجام شد و مربوط به جلوگیری از رشد کربن رشته‌ای در داخل لوله‌های خنک‌کننده راکتورهای هسته‌ای بود.[۴۲]

 
راکتور هسته ای




جستارهای وابسته ویرایش

منابع ویرایش

  1. ↑ «الیاف کربن تک جهته».[پیوند مرده]
  2. ↑ «کاتالوگ الیاف کربن» (PDF). افزیر. ۲۱ تیر ۱۳۹۷. دریافت‌شده در ۱۲ جولای ۲۰۱۸.
  3. ↑ «carbon fibers». wikipedia.
  4. ↑ Hou, H.; Reneker, D. H. (2004-01-05). "Carbon Nanotubes on Carbon Nanofibers: A Novel Structure Based on Electrospun Polymer Nanofibers". Advanced Materials (به انگلیسی). 16 (1): 69–73. doi:10.1002/adma.200306205. ISSN 0935-9648.
  5. ↑ «مقاله‌ای مرتبط با کاربرد الیاف کربن به عنوان مصالح ساختمانی» (PDF). بایگانی‌شده از اصلی (PDF) در ۲۵ آوریل ۲۰۱۲. دریافت‌شده در ۱۱ ژانویه ۲۰۱۷.
  6. ↑ «استفاده از کربن در خودرو سیتروئن».
  7. ↑ «کاربرد مصالح کربنی در صنعت هوا فضا».
  8. ↑ «بازار تولید و فروش کامپوزیت‌های کربن».
  9. ↑ «Carbon fiber reinforced polymer».
  10. ↑ «توماس ادیسون و الیاف‌های کربن».
  11. ↑ «manufacturing carbon wrap». بایگانی‌شده از اصلی در ۳ آوریل ۲۰۱۳. دریافت‌شده در ۱۱ ژانویه ۲۰۱۷.
  12. ↑ «how is it made».
  13. ↑ ۱۳٫۰ ۱۳٫۱ {{cite book}}: Empty citation (help)
  14. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
  15. ↑ {{cite book}}: Empty citation (help)[کدام صفحه؟]
  16. ↑ {{cite conference}}: Empty citation (help)
  17. ↑ {{cite book}}: Empty citation (help)
  18. ↑ Li, Xiaonian; Zhang, Yi; Smith, Kevin J. (2004). "Metal–support interaction effects on the growth of filamentous carbon over Co/SiO2 catalysts". Applied Catalysis A: General. 264 (1): 81–91. doi:10.1016/j.apcata.2003.12.031.
  19. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
  20. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
  21. ↑ {{cite conference}}: Empty citation (help)
  22. ↑ Reshetenko, T. V.; Avdeeva, L. B.; Ismagilov, Z. R.; Pushkarev, V. V.; Cherepanova, S. V.; Chuvilin, A. L.; Likholobov, V. A. (2003). "Catalytic filamentous carbon". Carbon. 41 (8): 1605–15. doi:10.1016/S0008-6223(03)00115-5.
  23. ↑ Romanenko, Konstantin V.; d’Espinose De La Caillerie, Jean-Baptiste; Fraissard, Jacques; Reshetenko, Tatyana V.; Lapina, Olga B. (2005). "129Xe NMR investigation of catalytic filamentous carbon". Microporous and Mesoporous Materials. 81 (1–3): 41–8. doi:10.1016/j.micromeso.2005.01.016.
  24. ↑ Debokx, P. (1985). "The formation of filamentous carbon on iron and nickel catalysts I. Thermodynamics". Journal of Catalysis. 96 (2): 454–67. doi:10.1016/0021-9517(85)90314-8.
  25. ↑ Alstrup, I.; Tavares, M. T.; Bernardo, C. A.; Sørensen, O.; Rostrup-Nielsen, J. R. (1998). "Carbon formation on nickel and nickel-copper alloy catalysts". Materials and Corrosion. 49 (5): 367–72. doi:10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
  26. ↑ {{cite book}}: Empty citation (help)
  27. ↑ Alstrup, I.; Tavares, M. T.; Bernardo, C. A.; Sørensen, O.; Rostrup-Nielsen, J. R. (1998). "Carbon formation on nickel and nickel-copper alloy catalysts". Materials and Corrosion. 49 (5): 367–72. doi:10.1002/(SICI)1521-4176(199805)49:5<367::AID-MACO367>3.0.CO;2-M. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
  28. ↑ Reshetenko, T. V.; Avdeeva, L. B.; Ismagilov, Z. R.; Pushkarev, V. V.; Cherepanova, S. V.; Chuvilin, A. L.; Likholobov, V. A. (2003). "Catalytic filamentous carbon". Carbon. 41 (8): 1605–15. doi:10.1016/S0008-6223(03)00115-5.
  29. ↑ ۲۹٫۰ ۲۹٫۱ Debokx, P. (1985). "The formation of filamentous carbon on iron and nickel catalysts I. Thermodynamics". Journal of Catalysis. 96 (2): 454–67. doi:10.1016/0021-9517(85)90314-8.
  30. ↑ {{cite book}}: Empty citation (help)
  31. ↑ Baker, R. (1973). "Formation of filamentous carbon from iron, cobalt and chromium catalyzed decomposition of acetylene". Journal of Catalysis. 30 (1): 86–95. doi:10.1016/0021-9517(73)90055-9.
  32. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
  33. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
  34. ↑ Kępiński, L. (1989). "Formation of filamentous carbon from acetylene on Pd/SiO2 films: Effect of metal-support reaction". Reaction Kinetics and Catalysis Letters. 38 (2): 363–7. doi:10.1007/BF02062132.
  35. ↑ {{cite conference}}: Empty citation (help)
  36. ↑ Park, Colin; Keane, Mark A. (2001). "Filamentous Carbon Growth on Nickel/Silica: Potassium and Bromine as Catalyst Promotors". ChemPhysChem. 2 (12): 733–41. doi:10.1002/1439-7641(20011217)2:12<733::AID-CPHC733>3.0.CO;2-5. PMID 23686923.
  37. ↑ Park, Colin; Keane, Mark A. (2002). "Growth of Filamentous Carbon from the Surface of Ni/SiO2 Doped with Alkali Metal Bromides". Journal of Colloid and Interface Science. 250 (1): 37–48. Bibcode:2002JCIS..250...37P. doi:10.1006/jcis.2002.8298. PMID 16290632.
  38. ↑ Basavalingu, B.; Madhusudan, P.; Dayananda, A. S.; Lal, K.; Byrappa, K.; Yoshimura, M. (2007). "Formation of filamentous carbon through dissociation of chromium carbide under hydrothermal conditions". Journal of Materials Science. 43 (7): 2153–7. Bibcode:2008JMatS..43.2153B. doi:10.1007/s10853-007-1927-9.
  39. ↑ Bae, Jong Wook; Kim, Seung-Moon; Park, Seon-Ju; Prasad, P. S. Sai; Lee, Yun-Jo; Jun, Ki-Won (2009). "Deactivation by Filamentous Carbon Formation on Co/Aluminum Phosphate during Fischer−Tropsch Synthesis". Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (6): 3228–33. doi:10.1021/ie801956t.
  40. ↑ "Filamentous Carbon Particles for Cleaning Oil Spills". Retrieved September 2, 2013.[منبع نامعتبر؟]
  41. ↑ Steinfeld, A.; Kirillov, V.; Kuvshinov, G.; Mogilnykh, Y.; Reller, A. (1997). "Production of filamentous carbon and hydrogen by solarthermal catalytic cracking of methane". Chemical Engineering Science. 52 (20): 3599–603. doi:10.1016/S0009-2509(97)00166-8.
  42. ↑ ۴۲٫۰ ۴۲٫۱ ۴۲٫۲ {{cite book}}: Empty citation (help)
  43. ↑ Snoeck, J.-W.; Froment, G. F.; Fowles, M. (1997). "Filamentous Carbon Formation and Gasification: Thermodynamics, Driving Force, Nucleation, and Steady-State Growth". Journal of Catalysis. 169 (1): 240–9. doi:10.1006/jcat.1997.1634.
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=الیاف_کربن&oldid=37399163»