Koolstofvezel is een hoogwaardig vezelmateriaal. Het voorbereidingsproces omvat hoofdzakelijk de volgende stappen:
1. Selectie van grondstoffen
De belangrijkste grondstof van koolstofvezel is polyacrylonitril, een synthetische vezel.
Sommige andere grondstoffen, zoals pek en natuurlijke vezels, kunnen ook worden gebruikt om koolstofvezels te maken.
2. Spinnen
De voorloper wordt gemengd met andere materialen en vervolgens tot vezels gesponnen.
Vervolgens worden de vezels gewassen en uitgerekt.
3. Stabilisatie
Koolstofvezel moet chemisch worden aangepast voor carbonisatie om het thermisch stabieler te maken door zijn lineaire atomaire bindingen te veranderen in ladderbindingen. Verhit de vezel in lucht tot 200-300 graden gedurende ongeveer 30 minuten tot 2 uur. Dit verhittingsproces dwingt koolstofatomen om zuurstofatomen uit de lucht te absorberen en herschikt de moleculen in thermisch stabielere bindingspatronen.
Dit exotherme proces moet zorgvuldig worden gecontroleerd om oververhitting van de vezel te voorkomen. Er zijn verschillende methoden die worden gebruikt om koolstofvezel te stabiliseren.
4.Carbonisatie
Nadat de vezel thermisch gestabiliseerd is, wordt deze gedurende enkele minuten verhit tot 1,000-3,000 graden Celsius in afwezigheid van zuurstof.
Het gebrek aan zuurstof verhindert dat de vezels bij zulke hoge temperaturen verbranden. Tijdens dit proces is het belangrijk om de luchtdruk in de oven hoger te houden dan de luchtdruk buiten de oven, en om de inlaat en uitlaat van de vezel afgedicht te houden om te voorkomen dat zuurstof de oven binnendringt.
Bij deze hoge temperatuur stoot de vezel zijn niet-koolstofatomen uit, en de resterende koolstofatomen vormen stevig gebonden koolstofkristallen.
Deze koolstofkristallen zijn parallel aan de lange as van de koolstofvezel uitgelijnd.
5. Oppervlaktebehandeling
Het carbonisatieproces geeft de vezel een glad oppervlak dat zich niet goed kan hechten aan epoxyhars en andere materialen die worden gebruikt om composietproducten te maken.
Daarom is het oppervlak enigszins geoxideerd. Oxidatie geeft het oppervlak betere chemische bindingseigenschappen en etst tegelijkertijd het oppervlak, zodat chemicaliën beter aan het oppervlak kunnen hechten.
Vezels worden soms geoxideerd door ze onder te dompelen in gassen zoals koolstofdioxide, lucht of ozon, of in vloeistoffen zoals salpeterzuur of natriumhypochloriet. Andere keren wordt oxidatie bereikt door elektrolyse door positief geladen vezels in een bad van geleidend materiaal te dompelen.
Ongeacht de gebruikte oppervlaktevoorbereidingsmethode is het van groot belang dat deze onder nauwlettend toezicht van deskundigen wordt uitgevoerd. Zo wordt voorkomen dat er oppervlakte-imperfecties ontstaan die tot materiaalfalen kunnen leiden.
6. Maatvoering
Nadat de vezels geoxideerd zijn, worden ze ingepakt om schade te voorkomen wanneer ze op spoelen worden gewikkeld of tot stof worden geweven.
Het coatingproces wordt lijmen genoemd en het lijmmateriaal wordt zorgvuldig geselecteerd om compatibel te zijn met de lijm die wordt gebruikt om de composietstructuur te vormen.
Coatingmaterialen kunnen polyester, nylon, urethaan of epoxy zijn.
Opgemerkt dient te worden dat het bereidingsproces van koolstofvezel relatief complex is en strikte procescontrole en apparatuuromstandigheden vereist om te garanderen dat de koolstofvezel goede prestaties en kwaliteit heeft.
