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.

مقالات قد تفيدك :

عن Akram Amir El Ali

استاذ الكيمياء التحليلية ومصمم غرافيك

شاهد أيضاً

طاقة الشبكية

كمية الحرارة المحررة عند تقريب الأيونات الغازية لبعضها البعض من مسافة لا نهائية .فلكل مركب …

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.