탄소 섬유

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배경

탄소 섬유는 직경이 약 0.0002-0.0004인치(0.005-0.010mm)이고 대부분 탄소 원자로 구성된 길고 가는 재료 가닥입니다. 탄소 원자는 섬유의 장축에 평행하게 정렬된 미세한 결정으로 함께 결합됩니다. 결정 정렬은 섬유를 크기에 비해 믿을 수 없을 정도로 강하게 만듭니다. 수천 개의 탄소 섬유가 함께 꼬여서 실을 형성하며, 이 실은 단독으로 사용되거나 직물로 짜여질 수 있습니다. 원사 또는 직물을 에폭시와 결합하여 다양한 복합 재료를 형성하기 위해 권취 또는 성형합니다. 탄소 섬유 강화 복합 재료는 항공기 및 우주선 부품, 경주용 자동차 차체, 골프 클럽 샤프트, 자전거 프레임, 낚싯대, 자동차 스프링, 범선 돛대 및 기타 경량 및 고강도가 요구되는 많은 부품을 만드는 데 사용됩니다.

탄소 섬유는 미사일의 고온 성형 플라스틱 부품을 보강하기 위해 1950년대에 개발되었습니다. 첫 번째 섬유는 탄화될 때까지 레이온 가닥을 가열하여 제조되었습니다. 생성된 섬유는 약 20%의 탄소만 함유하고 강도 및 강성 특성이 낮기 때문에 이 공정은 비효율적인 것으로 판명되었습니다. 1960년대 초반에는 폴리아크릴로니트릴을 원료로 하는 공정이 개발되었습니다. 이것은 약 55%의 탄소를 함유하고 훨씬 더 나은 특성을 가진 탄소 섬유를 생성했습니다. 폴리아크릴로니트릴 전환 공정은 빠르게 탄소 섬유를 생산하는 주요 방법이 되었습니다.

1970년대에는 대체 원료를 찾기 위한 실험 작업으로 석유 가공에서 파생된 석유 피치로 만든 탄소 섬유가 도입되었습니다. 이들 섬유는 약 85%의 탄소를 함유하고 우수한 굽힘 강도를 가졌다. 불행히도 압축 강도가 제한적이었고 널리 받아 들여지지 않았습니다.

오늘날 탄소 섬유는 많은 제품의 중요한 부분이며 매년 새로운 응용 분야가 개발되고 있습니다. 미국, 일본 및 서유럽은 탄소 섬유의 주요 생산국입니다.

탄소 섬유의 분류

탄소 섬유는 섬유의 인장 계수에 따라 분류됩니다. 인장 계수는 특정 직경의 섬유가 끊어지지 않고 발휘할 수 있는 당기는 힘의 정도를 측정한 것입니다. 영국식 측정 단위는 단면적 제곱인치당 힘의 파운드 또는 psi입니다. "낮은 모듈러스"로 분류되는 탄소 섬유는 3,480만 psi(2억 4,000만 kPa) 미만의 인장 모듈러스를 갖습니다. 인장 계수의 오름차순으로 다른 분류에는 "표준 계수", "중간 계수", "고 계수" 및 "초고 계수"가 포함됩니다. 초고탄성계수 탄소섬유는 7250만~1억4500만 psi(5억~10억 kPa)의 인장탄성률을 갖는다. 비교하자면 강철의 인장 계수는 약 2900만 psi(2억 kPa)입니다. 따라서 가장 강한 탄소 섬유는 강철보다 약 5배 더 강합니다.

흑연 섬유라는 용어는 석유 피치로 만든 특정 초고 모듈러스 섬유를 나타냅니다. 이 섬유는 흑연으로 알려진 순수한 탄소 형태의 특징인 3차원 결정 배열에 매우 근접한 내부 구조를 가지고 있습니다.

플라스틱은 긴 가닥이나 섬유에 익사한 다음 접촉하지 않고 매우 높은 온도로 가열됩니다. 산소와 함께. 산소가 없으면 섬유가 타지 않습니다. 그 대신 고온은 대부분의 비탄소 원자가 배출될 때까지 섬유의 원자를 격렬하게 진동시킵니다.

원자재

탄소 섬유를 만드는 데 사용되는 원료를 전구체라고 합니다. 생산되는 탄소 섬유의 약 90%는 폴리아크릴로니트릴로 만들어집니다. 나머지 10%는 레이온이나 석유 피치로 만들어집니다. 이 모든 물질은 탄소 원자에 의해 함께 묶인 긴 분자 끈을 특징으로 하는 유기 고분자입니다. 각 전구체의 정확한 구성은 회사마다 다르며 일반적으로 영업 비밀로 간주됩니다.

제조 과정에서 다양한 기체와 액체가 사용됩니다. 이러한 재료 중 일부는 섬유와 반응하여 특정 효과를 얻도록 설계되었습니다. 다른 재료는 섬유와 반응하지 않거나 특정 반응을 방지하도록 설계되었습니다. 전구체와 마찬가지로 이러한 많은 공정 재료의 정확한 조성은 영업 비밀로 간주됩니다.

제조
프로세스

탄소 섬유를 만드는 과정은 부분적으로는 화학적이고 부분적으로는 기계적인 것입니다. 전구체는 긴 가닥 또는 섬유로 당겨진 다음 산소와 접촉하지 않고 매우 높은 온도로 가열됩니다. 산소가 없으면 섬유가 타지 않습니다. 그 대신 고온은 대부분의 비탄소 원자가 배출될 때까지 섬유의 원자를 격렬하게 진동시킵니다. 이 과정을 탄화라고 하며 길고 촘촘하게 구성된 섬유를 남깁니다. 섬유는 감거나 짜는 동안 손상되지 않도록 코팅되어 있습니다. 코팅된 섬유는 보빈이라는 실린더에 감겨 있습니다. 소수의 비탄소 원자만 남아 있는 서로 맞물린 탄소 원자 사슬.

다음은 폴리아크릴로니트릴에서 탄소 섬유를 형성하는 데 사용되는 일반적인 작업 순서입니다.

회전

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1 아크릴로니트릴 플라스틱 분말은 아크릴산 메틸이나 메타크릴산 메틸과 같은 다른 플라스틱과 혼합되어 기존의 현탁액 또는 용액 중합 공정에서 촉매와 반응하여 폴리아크릴로니트릴 플라스틱을 형성합니다.

2 플라스틱은 여러 가지 다른 방법 중 하나를 사용하여 섬유로 만들어집니다. 일부 방법에서 플라스틱은 특정 화학 물질과 혼합되고 작은 제트를 통해 플라스틱이 응고되어 섬유로 응고되는 화학 약품 수조 또는 담금질 챔버로 펌핑됩니다. 이는 폴리아크릴 섬유 섬유를 형성하는 데 사용되는 공정과 유사합니다. 다른 방법에서는 플라스틱 혼합물을 가열하고 작은 제트를 통해 챔버로 펌핑하여 용매를 증발시켜 고체 섬유를 남깁니다. 방사 단계는 이 과정에서 섬유의 내부 원자 구조가 형성되기 때문에 중요합니다.

3 그런 다음 섬유를 세척하고 원하는 섬유 직경으로 늘립니다. 스트레칭은 섬유 내의 분자 정렬을 돕고 탄화 후 단단히 결합된 탄소 결정 형성의 기초를 제공합니다.

안정화

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4 섬유가 탄화되기 전에 선형 원자 결합을 보다 열적으로 안정적인 사다리 결합으로 전환하기 위해 화학적으로 변경해야 합니다. 이것은 공기 중에서 섬유를 30-120분 동안 약 390-590°F(200-300°C)로 가열함으로써 달성됩니다. 이것은 섬유가 공기에서 산소 분자를 집어 들고 원자 결합 패턴을 재배열하게 합니다. 안정화 화학 반응은 복잡하고 여러 단계를 포함하며 그 중 일부는 동시에 발생합니다. 또한 섬유가 과열되지 않도록 제어해야 하는 자체 열을 생성합니다. 상업적으로 안정화 프로세스는 다양한 장비와 기술을 사용합니다. 일부 공정에서 섬유는 일련의 가열 챔버를 통해 당겨집니다. 다른 곳에서 섬유는 뜨거운 롤러를 통과하고 뜨거운 공기의 흐름에 의해 부유 상태로 유지되는 느슨한 재료의 베드를 통과합니다. 일부 공정에서는 안정화를 화학적으로 가속화하는 특정 가스와 혼합된 가열된 공기를 사용합니다.

탄화

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5 섬유가 안정화되면 산소를 포함하지 않는 가스 혼합물로 채워진 용광로에서 몇 분 동안 약 1,830-5,500°F(1,000-3,000°C)의 온도로 가열됩니다. 산소 부족은 섬유가 매우 높은 온도에서 타는 것을 방지합니다. 퍼니스 내부의 가스 압력은 외부 공기 압력보다 높게 유지되며 섬유가 퍼니스에 들어오고 나가는 지점은 산소가 들어오지 못하도록 밀봉됩니다. 섬유가 가열되면 수증기, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 질소 등을 포함한 다양한 가스 형태로 비탄소 원자와 약간의 탄소 원자를 잃기 시작합니다. 비탄소 원자가 배출됨에 따라 나머지 탄소 원자는 섬유의 장축에 다소 평행하게 정렬된 단단히 결합된 탄소 결정을 형성합니다. 일부 공정에서는 두 개의 다른 온도에서 작동하는 두 개의 용광로가 탄화 중 가열 감소 속도를 더 잘 제어하는 ​​데 사용됩니다.

표면 처리

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6 탄화 후 섬유는 복합 재료에 사용되는 에폭시 및 기타 재료와 잘 결합되지 않는 표면을 갖습니다. 섬유에 더 나은 결합 특성을 부여하기 위해 표면이 약간 산화됩니다. 표면에 산소 원자를 추가하면 더 나은 화학적 결합 특성을 제공하고 더 나은 기계적 결합 특성을 위해 표면을 에칭 및 거칠게 만듭니다. 산화는 공기, 이산화탄소 또는 오존과 같은 다양한 가스에 섬유를 담가서 달성할 수 있습니다. 또는 차아염소산나트륨 또는 질산과 같은 다양한 액체에서. 섬유는 또한 다양한 전기 전도성 물질로 채워진 욕조에서 섬유를 양극 단자로 만들어 전기분해적으로 코팅할 수 있습니다. 표면 처리 공정은 섬유 파손을 유발할 수 있는 피트와 같은 작은 표면 결함이 형성되지 않도록 주의 깊게 제어되어야 합니다.

크기 조정

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7 표면 처리 후 섬유를 코팅하여 권취 또는 제직 시 손상되지 않도록 보호합니다. 이 과정을 사이징이라고 합니다. 코팅 재료는 복합 재료를 형성하는 데 사용되는 접착제와 호환되도록 선택됩니다. 대표적인 코팅재로는 에폭시, 폴리에스터, 나일론, 우레탄 등이 있습니다.

8 코팅된 섬유는 보빈이라는 실린더에 감겨 있습니다. 보빈을 방적기에 넣고 섬유를 꼬아서 다양한 크기의 실로 만듭니다.

품질 관리

탄소 섬유의 매우 작은 크기는 품질 관리 방법으로 육안 검사를 허용하지 않습니다. 대신 일관된 전구체 섬유를 생산하고 탄소 섬유로 전환하는 데 사용되는 제조 공정을 면밀히 제어하여 품질을 제어합니다. 시간, 온도, 가스 흐름 및 화학 성분과 같은 공정 변수는 생산의 각 단계에서 면밀히 모니터링됩니다.

탄소 섬유와 완성된 복합 재료도 엄격한 테스트를 거칩니다. 일반적인 섬유 테스트에는 밀도, 강도, 사이징 양 등이 포함됩니다. 1990년에 Advanced Composite Materials Association의 공급업체는 현재 업계 전반에 걸쳐 사용되는 탄소 섬유 테스트 방법에 대한 표준을 수립했습니다.

건강 및 안전 문제

탄소 섬유의 생산 및 취급에는 먼지 흡입, 피부 자극 및 전기 장비에 대한 섬유의 영향이라는 세 가지 우려 사항이 있습니다.

가공 과정에서 탄소 섬유 조각이 부서져 미세 먼지 형태로 공기 중에 순환할 수 있습니다. 산업 보건 연구에 따르면 일부 석면 섬유와 달리 탄소 섬유는 너무 커서 흡입 시 건강에 해롭지 않습니다. 그러나 자극적일 수 있으므로 해당 지역에서 일하는 사람들은 보호 마스크를 착용해야 합니다.

탄소 섬유는 특히 손등과 손목에 피부 자극을 유발할 수 있습니다. 탄소 섬유 먼지가 있는 지역의 사람들은 보호복이나 피부 장벽 크림을 사용하는 것이 좋습니다. 섬유를 코팅하는 데 사용되는 사이징 재료에는 종종 심각한 피부 반응을 일으킬 수 있는 화학 물질이 포함되어 있어 보호가 필요합니다.

탄소 섬유는 강할 뿐만 아니라 우수한 전기 전도체이기도 합니다. 결과적으로 탄소 섬유 먼지는 전기 장비의 아크 및 단락을 유발할 수 있습니다. 탄소 먼지가 있는 지역에서 전기 장비를 재배치할 수 없는 경우 장비는 캐비닛이나 기타 인클로저에 밀봉됩니다.

미래

탄소 섬유 기술의 최신 개발은 나노튜브라고 하는 작은 탄소 튜브입니다.

직경이 0.00004인치(0.001mm)만큼 작은 이 중공 튜브는 새로운 고강도 섬유, 초미세 시험관 또는 집적 회로용 새로운 반도체 재료를 만드는 데 유용할 수 있는 고유한 기계적 및 전기적 특성을 가지고 있습니다.