صناعة ألياف الكربون و استخداماتها

صناعة ألياف الكربـون و استخداماتها:

كيف يتم صنع ألياف الكربـون؟

إن أليـاف الكربـون و التي تعرف أيضا بألياف الجرافيـت أو الكربـون الجرافيـت، تتكون من خيوط دقيقة جدا من عنصر الكربون. فألياف الكربـون لديها قوة شد عالية ، كما أنها قوية جدا بالنسبة لحجمها. وفي الواقع ، قد تكون ألياف الكربـون أقوى مادة موجودة على سطح الارض . فألياف الكربـون 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 أليـاف الكربـون أكثر صلابة بخمس مرات من الفولاذ ، كما أنها بمقاومتها العالية كيميائيًا وتحمل درجات حرارة عالية و لها تمدد حراري منخفض. و تعتبر أليـاف الكربـون مهمة في المواد الهندسية ، والفضاء ، والمركبات عالية الأداء ، والمعدات الرياضية ، والآلات الموسيقية ،على سبيل المثال لا الحصر .

 

المواد الأولية

تتكون أليـاف الكربـون من المبلمرات العضوية ، والتي تتكون من سلاسل طويلة من الجزيئات و التي تعمل ذرات الكربـون على الربط فيما بينها . تصنع معظم أليـاف الكربـون (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 أليـاف الكربـون . وتستخدم ألياف الكربون ذات النخب الأول و التي لها خصائص مميزة في التطبيقات و الصناعات الصعبة مثل صناعات الفضاء . كما يختلف مصنعو ألياف الكربـون 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 أليـاف 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 أليـاف الكربـون من عملية تصنيع متعدد الأكريلونيتريل PAN. و هي:
– الغزل. يتم خلط متعدد الأكريلونيتريل PAN مع المكونات الأخرى ويغزل غلى شكل أليـاف والتي يتم غسلها وتمددها.
– التثبيت. حدوث معالجات كيميائية لتحقيق التثبيت.
– الكربنة : تسخين الأليـاف المثبتة إلى درجة حرارة عالية للغاية تشكل بلورات كربونية مترابطة بإحكام.
– معالجة السطح: يتم أكسدة سطح الأليـاف لتحسين خصائص الترابط.
– التحجيم. تُغَطَّى الأليـاف وتُلصق على البكرات ، التي تُحمَّل على آلات الغزل و التي تغزل الأليـاف في خيوط مختلفة الأحجام. و بدلا من أن تنسج على شكل أقمشة، فقد يتمك دمج الأليـاف مع مواد أخرى لتشكل المتراكبات (المواد المركبة) . و لتكوين المواد المركبة فإن الحرارة أو الضغط أو التفريغ يعمل على ربط الأليـاف مع المبلمر البلاستيكي.

 

تحديات التصنيع

ينطوي تصنيع أليـاف الكربـون 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 أليـاف 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 لأليـاف الكربـون .

مستقبل أليـاف الكربـون

نظرًا قوة الشد العالية لأياف الكربـون و وزنها الخفيف فإن الكثيرون يعتبرون أن أليـاف الكربـون 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 أليـاف الكربـون حاليًا فقط في المركبات عالية الأداء و في ديسمبر 2011 ، أعلنت جنرال موتورز أنها تعمل على مركبات ألياف الكربـون 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 الكربـونية: صناعة مواد أشباه الموصلات و المركبات الفضائية و أجهزة الاستشعار الكيميائية ، وغيرها من الاستخدامات.
في عام 2015 ، بلغ حجم سوق أليـاف الكربـون 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.

 

 

 

بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية (أكثر من 25 لوحة) من تصميم الأستاذ أكرم أمير العلي

 

تطبيقات كيميائية من تصميم الأستاذ أكرم امير العلي متوفر للجوالات التي تعمل بنظام أندرويد android على سوق جوجل بلاي google play

1 – تطبيق ملصقات الجدول الدوري باللغة العربية : بطاقات تحتوي على معلومات شاملة و مختصرة في نفس الوقت كل عنصر على حدة (اللغة العربية).

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir2

 

2 – تطبيق ملصقات كيميائية: ملصقات بتصميم جميل جدا للكواشف و الأدلة و الزجاجيات المستخدمة في المختبر و كذلك ملصقات و بطاقات لخزانات حفظ المواد و الأدوات الزجاجية .

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir

 

3 – إذا كنت تواجه صعوبة في تحضير المحاليل الكيميائية الأكثر شيوعا في مختبرات الكيمياء و الاحياء، فهذا التطبيق سوف يساعدك كثيرا في تحضير المحاليل :

 

 

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