תהליך יבש מול תהליך רטוב

סיבי פחמן מושבחים כ"מלך החומרים החדשים", ומוצאים יישומים רבים בתעשיית האוויר והחלל, ייצור רכב, ציוד ספורט ואחרים. אך האם ידעתם? גם בתוך עולם סיבי הפחמן, תהליכי הייצור יכולים להשתנות בצורה דרמטית. היום ננתח באופן מקיף שלוש טכנולוגיות עיקריות לייצור סיבי פחמן – ספיגתジェט יבש, ספיגה יבשה וספיגה רטובה – ונבחן כיצד חברות גדולות בארץ ובעולם בוחרות בטכנולוגיות אלו.

ספיגתジェט-רטוב (הבחירה המובילה לסיבי פחמן בעלי ביצועים גבוהים)

הגדרה

ספיגת סプレー יבש-רטוב, כפי ששמו מרמז, משלבת את התכונות של שני תהליכי "הספיגה היבשה" ו"הספיגה הרטובה". טכניקה זו משמשת בעיקר לייצור חומר מוצא לסממי פחמן מבוססי PAN בעלי ביצועים גבוהים.

תהליך זרימה
(1) הכנת תמיסת הספיגה: פוליאקרילוניטריל (PAN) מתמוסס בממס מסוים כדי ליצור תמיסת ספיגה דביקה.
(2) שלב ספירה יבש: פתרון הסיבים מופרש דרך לוח מחט ובו הוא עובר קודם כל דרך שכבת אוויר (לרוב מספר מילימטרים עד סנטימטרים).
(3) שלב סיבון רטוב: האגד של סיבים נכנס לאמבטיה של קרישות, שם הוא מתaguesה במהירות ומייצר מבנה.
(4) עיבוד לאחרי: באמצעות שלבים כגון שטיפה, מתיחה, שמן וייבוש, נוצר לבסוף הקדם-סיב לפלח הפסולת.

יתרונות טכניים
(1) מבנה סיבים אחיד יותר: מתח בתוך שכבת האוויר משפר את אוריינטציה של שרשרת המולקולות
(2) משטח חלק יותר: מפחית פגמים במשטח, ומשפר את התכונות המכניות של סיב הפחמן הסופי
(3) יעילות ייצור גבוהה יותר: מהירות הספירה מגיעה ל-2-3 פעמים זו של הספירה הרטובה
(4) מתאים לייצור סיבים בעלי ביצועים גבוהים: כגון T700, T800 וסיבי פחמן מדרגות גבוהות יותר

סיבון רטוב (מסורתי בשל)

הגדרה

הספירה הרטובה היא השיטה הראשונה לייצור תעשייתי של קדם-סיבי פחמן. למרות שהיא טכנולוגית בשלגה, יש לה מגבלות מסוימות.
פולימר מתמוסס בסולבנט מתאים כדי ליצור תמיסה מרוכזת (אמבט סיבים). לאחר מכן, התמיסה מופרקת דרך המיקרו-פוזים של מזרק ונזרקת ישירות לאמבט הקשה שמכיל לא-סولבנט. בתוך האמבט, מתרחשת דיפוזיה דו-כיוונית בין הסולבנט בזרת הסיבים ללא-סולבנט שבאמבט. תהליך זה גורם לפליטה של הפולימר וליצירת סיבים ראשוניים.

תהליך זרימה
(1) הכנת תמיסת סיבים: PAN שמתמוסס בסולבנט (למשל DMF, DMSO)
(2) הקשה ישיר: תמיסת סיבים מופרקת מהמזרק ישירות לאמבט הקשה
(3) הקשה על בסיס הפרדת פאזות: הקשה מושגת באמצעות תהלית דיפוזיה דו-כיוונית
(4) טיפול לאחר-ייצור: שטיפה, מתיחה, ייבוש, וכן הלאה

מאפיינים טכניים
(1) צורות חתך מוגבלות: בעיקר עגול או אליפטי
(2) מהירות סיבים יחסית נמוכה: בדרך כלל 50–150 מטר/דקה
(3) נ prone לפגמי שטח: רגיש לנקבים ושקעים בשטח
(4) ציוד יחסית פשוט: מתאים לייצור סיבי פחמן בטווח הביצועים הממוצע עד נמוך

סיבוב יבש (בחירת סיבי פחמן מיוחדים)

הגדרה

סיבוב יבש הוא שיטה משמעותית נוספת להכנת קדמנים של סיבי פחמן, במיוחד בשימוש בייצור של סיבי פחמן מיוחדים מסויםים.
סיבוב יבש כולל דחיפת תמיסת פולימר דרך מסננות, כאשר הממס מתאדה ישירות באוויר חם ויוצר סיבים (למשל, ייצור ספנץ). עם זאת, בתעשיית סיבי פחמן, לעתים קרובות נעשה שימוש בשמו כקיצור שגוי ל"סיבוב יבש-שיזורה רטפה" (DSWL).

תהליך זרימה
(1) הכנת הפתרון: חומרי פולימר בממס מתעף
(2) דחיקה והתאדת ממס: התמיסה נדחפת דרך לוח מסננות ישירות לתוך מנהרת סיבוב מלאה באוויר חם
(3) החזרת ממס: הממס שהתאדה מושב לשימוש חוזר
(4) איסוף סיבים: סיבים שהתייצבו לחלוטין מתופפים ואוספים

מאפיינים טכניים
(1) צורות שונות של חתך סיבים: מסוגל לייצר סיבים עם חתכי לא סימטריים
(2) מערכת איסוף סולבנט מורכבת: מחייב ציוד מתקדם לאיסוף סולבנט
(3) מתאים לפולימרים ספציפיים: כגון PAN מותנה מסווגים או פולימרים אחרים המשמשים כקרום מוביל ליצירת סיבי פחמן

טבלת השוואה מקיפה של שלוש טכנולוגיות עיקריות

השוואה של תכניות טכנולוגיות עיקריות של חברות גדולות

מגמות התפתחות עתידיות

(1) אופטימיזציה של טכנולוגיית דריצ'יפ-רטיספין: התקדמות לקראת מהירויות סיבוב גבוהות יותר ואיכות יציבה יותר כדי לצמצם את עלות הפיברים הביצועיים הגבוהים.
(2) שדרוג רטיספין: שיפור ביצועי הפיברים שנספגים באמצעות שיפור תהליכים כדי להרחיב שימוש שדות.
(3) חדשנות אינטגרציית תהליכים: פיתוח טכניקות סיבוב קומפוזיטיות חדשות על ידי שילוב עוצמות מתהליכים שונים.
(4) ייצור ירוק: יצירת מערכות מסיסים ידידותיות לסביבה כדי לצמצם ההשפעה הסביבתית במהלך הייצור.

הטבע הקליל אך העמיד של סיבי הפחמן נובע מתהליכי ייצור משופרים בקפידה. מהב зрיפה המבוססת על שיטות מסורתיות כמו טוויית לח, דרך היישומים המיוחדים של טוויית יבש, וכלה בפריצות הדרך בשימוש בטוויה יבשה-לחה – כל טכניקה מייצגת את התמצית של מחשבה יצירתית של מדעני חומרים.

הבנת ההבדלים הטכנולוגיים האלה לא רק מסבירה את התנודות התמחירים הרבות בין סיבי פחמן, אלא גם מאירה את הדרך הקשה וההישגים האדירים של התעשייה הסינית של סיבי פחמן, בהעברה ממצב של ריסון למהפכן. בדרכה לכיוון להיות עוצמת חומרים, כל קפיצת טכנולוגית שווה את תשומת הלב והמחיאות כפיים שלנו.