الرئيسية » مواضيع مختلفة في الكيمياء » صناعة ألياف الكربون و استخداماتها

صناعة ألياف الكربون و استخداماتها

كيف يتم صنع ألياف الكربون؟
إن ألياف الكربون و التي تعرف أيضا بألياف الجرافيت أو الكربون الجرافيت، تتكون من خيوط دقيقة جدا من عنصر الكربون. فألياف الكربون لديها قوة شد عالية ، كما أنها قوية جدا بالنسبة لحجمها. وفي الواقع ، قد تكون ألياف الكربون أقوى مادة موجودة على سطح الارض . فألياف الكربون و كما ذكر سابقا دقيقة للغاية و و قطرها يتراوح ما بين 5-10 ميكرومتر. و لتوضيح فكرة عن مدى صغر حجمها فإن الميكرومتر الواحد يساوي 0.0001 سنتيمتر. و عادةً ما يتراوح قطر خيط واحد من خيوط شبكة العنكبوت بين 3-8 ميكرومتر.
و ألياف الكربون أكثر صلابة بخمس مرات من الفولاذ ، كما أنها بمقاومتها العالية كيميائيًا وتحمل درجات حرارة عالية و لها تمدد حراري منخفض. و تعتبر ألياف الكربون مهمة في المواد الهندسية ، والفضاء ، والمركبات عالية الأداء ، والمعدات الرياضية ، والآلات الموسيقية ،على سبيل المثال لا الحصر .

المواد الأولية
تتكون ألياف الكربون من المبلمرات العضوية ، والتي تتكون من سلاسل طويلة من الجزيئات و التي تعمل ذرات الكربون على الربط فيما بينها . تصنع معظم ألياف الكربون (حوالي 90 %) من خلال عملية تصنيع متعدد الأكريلونيتريل (PAN). كما يتم تصنيع كمية صغيرة (حوالي 10 %) من الرايون (الحرير الصناعي) . و تحدث الغازات والسوائل والمواد الأخرى المستخدمة في عملية التصنيع تأثيرات وخصائص ودرجات متفاوتة من ألياف الكربون. وتستخدم ألياف الكربون ذات النخب الأول و التي لها خصائص مميزة في التطبيقات و الصناعات الصعبة مثل صناعات الفضاء . كما يختلف مصنعو ألياف الكربون عن بعضهم البعض في مجموعات المواد الخام التي يستخدمونها ، و عادة كما يتم التعامل مع صناعة ألياف الكربون بأنها أسرار تجارية.

عملية التصنيع
في عملية التصنيع ، يتم سحب المواد الخام ، والتي تسمى المواد الأولية على شكل خيوط أو ألياف طويلة. و يتم نسج الألياف في نسيج ما أو دمجها مع مواد أخرى و التي يتم لاحقا بغزلها او تشكيلها بالأشكال والأحجام المطلوبة. وهناك عادة خمسة مراحل في تصنيع ألياف الكربون من عملية تصنيع متعدد الأكريلونيتريل PAN. و هي:
– الغزل. يتم خلط متعدد الأكريلونيتريل PAN مع المكونات الأخرى ويغزل غلى شكل ألياف والتي يتم غسلها وتمددها.
– التثبيت. حدوث معالجات كيميائية لتحقيق التثبيت.
– الكربنة : تسخين الألياف المثبتة إلى درجة حرارة عالية للغاية تشكل بلورات كربونية مترابطة بإحكام.
– معالجة السطح: يتم أكسدة سطح الألياف لتحسين خصائص الترابط.
– التحجيم. تُغَطَّى الألياف وتُلصق على البكرات ، التي تُحمَّل على آلات الغزل و التي تغزل الألياف في خيوط مختلفة الأحجام. و بدلا من أن تنسج على شكل أقمشة، فقد يتمك دمج الألياف مع مواد أخرى لتشكل المتراكبات (المواد المركبة) . و لتكوين المواد المركبة فإن الحرارة أو الضغط أو التفريغ يعمل على ربط الألياف مع المبلمر البلاستيكي.

تحديات التصنيع
ينطوي تصنيع ألياف الكربون على عدد من التحديات ، بما في ذلك:
– الحاجة إلى تعديلات و إصلاحات عالية من حيث التكلفة.
– يجب القيام بعملية المعالجة السطحية بعناية شديدة لتجنب إنشاء فجوات قد تؤدي تشكيل ألياف معيبة.
– مطلةب نحكم و سيطرة دقيقين لضمان جودة متسقة طوال عملية التصنيع.
– الاهتمام بقضايا الصحة والسلامة العامة.
– قد تسبب عملية التصنيع تهيجا في الجلد.
– قد تسبب عملية التصنيع تهيجا في الجهاز التنفسي.
– حدوث خلال في التوصيلات الكهربائية و في المعدات الكهربائية بسبب التوصيل الكهربائي القوي لألياف الكربون.

مستقبل ألياف الكربون
نظرًا قوة الشد العالية لأياف الكربون و وزنها الخفيف فإن الكثيرون يعتبرون أن ألياف الكربون هي أهم مواد التصنيع في الجيل الحالي. و قد تلعب ألياف الكربون دوراً متزايد الأهمية في عدة مجالات مثل:
– الطاقة: صناعة ريش الطواحين الهوائية و خزانات الغاز الطبيعي و خزانات نقل الوقود ، وخلايا الوقود.
– السيارات: تستخدم تقنية ألياف الكربون حاليًا فقط في المركبات عالية الأداء و في ديسمبر 2011 ، أعلنت جنرال موتورز أنها تعمل على مركبات ألياف الكربون لإنتاج كميات كبيرة من السيارات.
– البناء: إنتاج خرسانة صب خفيفة الوزن ، و الحماية من الزلازل.
– الطائرات: صناعة الطائرات الدفاعية والتجارية و طائرات بدون طيار.
– التنقيب عن النفط: صناعة منصات الحفر في المياه العميقة وأنابيب الحفر.
– الأنابيب النانوية الكربونية: صناعة مواد أشباه الموصلات و المركبات الفضائية و أجهزة الاستشعار الكيميائية ، وغيرها من الاستخدامات.
في عام 2015 ، بلغ حجم سوق ألياف الكربون 2.25 مليار دولار و هناك توقعات لتوسيع السوق إلى 31 مليار دولار بحلول عام 2024. و لتحقيق ذلك ، يجب خفض تكاليف الانتاج واستهداف التطبيقات الجديدة.

 

المصدر: https://www.thoughtco.com/how-is-carbon-fiber-made-820391

 

مقالات قد تفيدك :

عن Akram Amir El Ali

استاذ الكيمياء التحليلية ومصمم غرافيك

شاهد أيضاً

بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية

بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية لوحة (بوستر) كيمياء الشاي لوحة (بوستر) كيمياء الشوكولاته لوحة (بوستر …

2 تعليقان

  1. فتحي عبدالله

    شكرا علي المعلومات

    • Akram Amir El Ali

      سعدت جدا بمرورك الكريم و الاستفادة من موقعي. كل التحية و التقدير لكم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.