بهبود خواص بنيادي الياف كربن برپايه ليگنن براي كاربرد حمل و نقل
همانطور كه گفته شد براي كاهش مصرف سوخت وسايل نقليه، كاهش وزن اين وسايل راهي مناسب است. براي اين منظور
جايگزيني برخي قطعات و اجزاء خودروها با كامپوزيت هاي اليا فكربن روشي منطقي است و براي اينكه به لحاظ اقتصادي و هزينه اي
مقرون به صرفه باشد م يبايست روشي را انتخاب نمود كه قيمت تمام شده براي توليد كننده خودرو و درنتيجه خريداران آن منطقي
باشد. استفاده از منابع فراوان و ارزان قيمت براي مواد اوليه مي تواند به اين امر كمك شاياني كند.
است. زيرا ( Kraft lignin blends) يكي از بهترين گزين هها توليد پي شماده هاي اليا فكربن از مخلو طهاي ليگنن مقوا
داراي امتيازاتي چون: فراواني، ارزاني، بازده كربني بالا و نيز قابليت ذو بريسي است. اين مقاله به مطالعه قابليت توليد دسته
10 ميكرون مي پردازد. سپس اين دسته فيلامنت پايدارسازي شده، كربونيزه و بعد - از اليافي به ضخامت 20 ( tow ) فيلامنت
گرافيتي مي شود بطوريكه به خواصي كه مورد انتظار صنعت حمل و نقل است و نيز بازده قابل قبول دست يابد. با توجه به سهولت
پايدارسازي اين الياف، تلاش ها روي اهداف ديگري متمركز شد از قبيل:
- توسعه فناوري سودمند و مقياس پذير براي فرآوري محصول جانبي ليگنن مقوا جهت رفع آلايند ههاي ناخواسته( از قبيل خاكستر،
الياف سلولزي، ذرات ريز، مواد فرار آلي و حتي آب)
- بهبود ساختار ريسندگي دسته فيلامنت و الياف كربونيزه
- افزايش چسبندگي ميان الياف و رزين
مطالعات جديدتري نيز انجام شده است كه روي بهبود زيردست، انعطاف پذيري ، پوش شدهي سطحي جهت بهبود استحكام سطحي و
كاهش جذب آب و بهينه كردن فرآيند ريسندگي متمركز است.
برنامه مطالعاتي مواد سبك سازي خودرو كه توسط وزارت انرژي ايالات متحده با همكاري توليد كنندگان قطعات جانبي خودرو
به اجرا درآمد. در اين كشور انجمن تحقيقات حم لو نقل و شركت مواد حم لو نقل و نيز كنسرسيوم (ائتلاف اقتصادي چند شركت)
كامپوزيت در حمل و نقل با هم متحد شدند تا وزن فولاد ساختماني در خودرو را تا حد دو سوم كاهش دهند تا از اين طريق مصرف
سوخت كاهش يابد. اين برنامه مبتني است بر گسترش فناوري هايي كه بتوان به كمك آنها پيش ماده هاي ارزان و فراوان را براي
توليد الياف كربن بكار گرفت و با كاهش هزينه توليد الياف، صنعت حمل و نقل را به استفاده از كامپوزيت هاي الياف كربن تشويق
نمود. فناوري ها و اطلاعات لازم براي اجرايي شدن اين پروژه بدست آمده است. مطالعاتي كه با پشتيباني اين برنامه انجام شده
عبارتند از:
پلي اكريلو نيتريل) كه به طريق شيميايي عمل شده اند. ) PAN -1 استفاده از دسته فيلامنت هاي نساجي
( paper pulping Kraft) -2 ذوب ريسي الياف اوليه ليگنن از فرآيند خمير سازي كاغذ مقوا
اين مقاله بطور خاص مطالعاتي را گزارش مي كند كه جهت ذوب ريسي منوفيلامنت مخلوط ليگنن از طريق نم كگيري از ليگنن
به فروش ( MeadWestvaco) توسط كمپاني ميدوِست واكو ( Indulin) مقواي تجاري انجام شد و محصول ان با نام ايندولين
رسيد.
ملاحظات مربوط به مواد
ليگنن مقوا يك محصول جانبي فراوان در توليدكاغذ از چوب است. در ساختار چوب، ليگنن ماده اي با زنجيره هاي طولاني است
كه به شكل تصادفي از همنشيني سه زيرساختار آروماتيك بوجود آمده است. كارخانه هاي كاغذ سازي روزانه قريب به 85000
براي تأمين انرژي و چرخه هاي شيميايي غيرآلي مصرف مي كنند. ( black liquor) كيلوگرم از ليگنن را به شكل شربت سياه
همچنين ليگنن خشك و جامد شده و به عنوان ماده اوليه در توليد پليم رها كاربرد دارد. پيشتر تحقيقاتي توليد ليگنن را از منابع
تجديد پذير و بازيافتي ارزيابي كرده بود و نشان داد كه تنها 10 درصد از ليگنن امريكا براي توليد مقدار كافي از الياف كربن كه بتوان
آنرا جايگزين نيمي از فولاد رايج بكار رفته در وسايط نقليه كرد، كفايت مي كند.
امكان مصرف يك محصول فرعي داراي منشاء زيستي و البته فراوان به عنوان ماده اوليه توليد الياف كربن، امكان دسترسي به
و كاهش صدمات (PAN كامپوزيت ارزان و كاهش حساسيت به نوسانات بازار نفت (به عنوان پيش ماده توليد ساير مواد اوليه نظير
زيست محيطي فعلي در توليد الياف كربن را سبب مي شود. از آنجا كه ليگنن مقوا يك محصول فرعي است، داراي مقادير قابل
توجهي از آلودگ يها ناشي از منابع گوناگون است. در چوب ليگنن به عنوان بخشي از كمپلكس ليگنن- كربو هيدرات وجود دارد و
زنجيره هاي كوتاه پلي ساكاريدي م يتواند پس از فرآيند خمير سازي بصورت متصل به ليگنن باقيمانده باشد. محلول هاي موجود در
خمير مقوا تركيبي از سولفيد سديم و هيدروكسيد سديم هستند كه ليگنن تجاري از داخل آن رسوب م يكند. مقدار رسوب، وزن
مولكولي و نوع اشتقاق رسوب ليگنن متنوع است و آلودگي هاي ذره اي مثل ماسه و خاك كه در فرآيند همراه چوب است نيز ممكن
است با ليگنن رسوب كنند. همچنين ليگنن خشك شده داراي مقداري آب و مواد فرار است كه م يتوانند باعث تشكيل حباب در
طي فرايند ذوب ريسي شوند. ليگنن يك ماده ترد است اما مي تواند با يك پليمر نرم ساز مخلوط شده و تحت شرايط اكستروژن
قرار گيرد. آن نرم ساز بايد به گونه اي انتخاب شود كه با ليگنن سازگار بوده و يك سيستم تك فاز پليمري را در داخل اكستروژن ايجاد
كند.
مطالعاتي كه در ادامه م يآيد توليد و ارزيابي يك تك فيلامنت ساخته شده از مخلوط را در مقياس آزمايشگاهي گزارش مي كند. اين
عمل در دو گام انجام مي شود:
- ليگنن با گستره وسيعي از پليمرهاي گوناگون براي توليد قرص هاي كوچك مخلوط مي شود مثل: پلي اولفين ها، پلي استرها،
پلي اتيلن اكسيد ها
- سپس اين قرص هاي كوچك در ذوب ريسي به شكل تك فيلامنت ريسيده مي شود.
در مطالعات جديد تر، توليد الياف 10 تا 30 ميكروني به شكل دسته فيلامنت هاي 2 تا 28 ليفي با استفاده از اكسترودر مارپيچي
دوقلو ، گزارش شده است. بعد از اكستروژن و بوبين پيچي، پايدارسازي، كربونيزه كردن و گرافيتي كردن به روشي كه در زير مي آيد،
و كشش داغ را دارا مي باشند. لذا ( handling) روي الياف انجام مي شود. غالباً اين الياف داراي طول كافي براي عمل پذيري
همانطور كه سه فرايند قبل روي الياف انجام مي شود، طول و مدول آن نيز افزايش مي يابد.
مبحث تجربي
مخلوط هاي ليف ليگنن مقوا : مخلوط هاي پل ياستر غالباً از طريق فرآيند دو مرحله اي شامل اختلاط پودرهاي مجزا با هم با كيفيت
عالي و ذوب ريسي جهت توليد گرانول ؛ و نهايتاً استفاده از گرانول حاصل براي ريسيدن دسته ليف چند فيلامنتي. پلي استر مورد
مصرف در اين آزمايش يك ماده قابل بازيافت است.
، 1369# Westvaco Indulin AT آماده سازي ليگنن : بدليل حجم بالاي توليد و قيمت پايين يك ليگنن مقوا، مثل محصول
به عنوان قسمت عمده ليف بكار گرفته شد. پودر ليگنن تجاري از طريق شستشو با آبِ مقطرِ اسيدي شده، نمك گيري مي شود.
هنگامي كه غلظت مطلوب نمك حاصل شد، آنرا جدا و به طريقه سردسازي در دستگاه ليوفيلايزر ( دستگاهي كه براي خشك كردن
خشك مي كنند و سپس در قفسه رطوبت گير (مثل (lyophilizer : مواد به شيوه انجماد در لوله هاي بدون هوا بكار مي رود
دسيكاتور) قرار مي دهند. ناخالص يهاي ذوب نشونده شامل الياف سلولزي و مواد قارچ گونه (دياتومه ها) است كه در برخي قسمت هاي
بر طرف م يشوند. ( dimensional sieving ليگنن وجود دارد. اين ضايعات با استفاده از الك كردن دو بعدي ( 2
ذوب ريسي چند ليفي : در ادامه، مخلوط الياف، از مخلوط كردن پودرهاي مجزاي ليگنن و پل ياستر و روزن راني(اكستروژن كردن)
با اسپينرت 4 Leistritz ZSE- آماده مي شود. اين دانه ها با استفاده از اكسترودر دو قلوي مارپيچي مدل 27 (pellets) گرانول ها
تا 28 روزنه __________اي، مستقيماً ذوب ريسي مي شوند. براي حذف اجزاء ذوب نشده از قبيل ليگنن و ساير مواد، از يك فيلتر ويژه قبل از
روزن ران استفاده مي شود. پس از اكستروژن، الياف بر روي بوبين پيچيده مي شوند. دماي اكستروژن در اين فرآيند به تركيب مخلوط
الياف بستگي دارد.
در هماهنگي با كنترل كننده هاي جريان ماده، براي دقت هرچه Lab VIEW پخت الياف : كنترل كامپيوتري با استفاده از سامانة
با استفاده از Eurotherm بيشتر در كنترل فشار و منحني زمان- دماي كوره بكار گرفته شد. كوره توسط سيستم كنترل 2416
كنترل مي شود. در فرآيند پايدارسازي، تك ليف حاصله روي ورقه كوآرتز تحت Eurotherm ITOOLS نرم افزار كامپيوتري
LindberglBlue M zone- كشش قرار مي گيرد. اين كار در هوا يا محيط غني از اكسيژن و در لولة كوآرتز سه ناحي هاي كوره 3
به قطر 130 ميليمتر انجام مي گيرد. در آزمايشِ نمونه، طول كورة 50 سانتيمتري در دماي 80 درجه سانتيگراد كه تريجاً به دماي
200 درجه مي رسد، در مدت يك ساعت باعث پايداري و تثبيت ليف م يگردد. فرآيند كربونيزه كردن در يك كورة سه ناحيه اي
مجهز به لوله اي به قطر 77 ميليمتر، با ورودي گاز نيتروژن كه با استفاده از يك اسفنج زيركونيوم در نسبت Lindberg/Blue M
ppm نسبت به گاز اكسيژن نگهداشته شده است، انجام م يشود. اكسيژن خروجي غلظتي كمتر از 3 ppm 5/ غلظت كمتر از 0
به 1200 درجه سانتيگراد افزايش م ييابد. در برخي آزمايشات، دستة تك فيلامن تها حتي تا دماي 1600 درجه Ĥً دارد و دما تدريج
در كوره هاي مقاوم گرافيتي با محتواي گازي نيتروژن / آرگون حرارت داده شده است.
نمونه هاي الياف روي سكوي ويژه قرارگرفته و با طلا پوشش كاري مي شوند(البته اگر لازم : ( SEM ) مطالعه با ميكروسكوپ الكتروني
مورد بررسي قرار مي گيرد. در اين بررسي دقت Philips XL30 FEG باشد). سپس اين نمونه ها توسط يك ميكروسكوپ الكتروني
ويژه روي سطح و انتهاي الياف مصروف گرديد. الياف خام، كربونيزه و گرافيت يشده مورد ارزيابي قرار گرفتند. ميكروسكوپ مذكور به
روي سطوح نمونه مي باشد. (elemental composition) براي تشخيص تركيب عنصري EDS سيستم
روي نمونه هاي خام و كربونيزه در دانشگاه تنس (با X با زاويه باز و بسته : مطالعه به شيوه پراش اشعه X تحليل به كمك پراش اشعه
of Tennessee Central X-ray Diffraction Facility Molecular Metrology Pinhole University : نام
روي دست هاي از الياف كه بصورت افقي در ميان مجراي دستگاه X, 2-D detector مجهز به سيستم 120 ( System SAXS
قرار گرفته بود، انجام شد.
اصلاح سطح الياف براي بهبود سازش پذيري: براي ارتقاء ميزان سازش پذيري ميان الياف مبتني بر ليگنن و رزينِ كامپوزيت، سطح
مورد استفاده قرار گرفت چراكه براي بهبود سازش پذيري Dow A الياف با پلاسما مورد اصلاح قرار گرفت. شيوه موسوم به 1100
الياف با رزين اپوكسي در نمونه هاي كوچك كامپوزيتي، روشي شناخته شده است.
خواص الياف كربن به كيفيت، ثبات و خلوص مواد اولية آن بستگي دارد. نواقصي نظير خلل و فرج، آلايند هها و يا مواد خارجي
مي تواند شكستگي الياف را در محصول به دنبال داشته باشد. الياف ليگنن مقواي تجاري يك پودر قهو هاي رنگ بسار نرم است كه به
عنوان محصول جانبي از رسوب گيري محلول خميرسازي و سپس خشك كردن آن رسوب بدست مي آيد. رفع آلودگي ها، نمك ها و
ساير مواد خارجي، خود مستلزم رسوب گيري مجدد است كه مشكلات خاص خود را دارد. توسعة شيوه هاي مقرو نبه صرفه براي
خالص سازي ليگنن، گامي مؤثر در بهبود خواص محصول نهايي يعني ليف كربن است.
اولين آلودگي هايي كه در ليگنن مقوا به چشم م يخورد، نم كهاي غير آلي(ناشي از مواد شيميايي بكار رفته در ساخت
خمير) و آب است. اگرچه انتظار مي رود كه تشكيل نمك ها در الياف با دماي پايين اتفاق افتد، اما تبخير نمك در اليافي كه تحت
دماي بالا از ليگنوسولفونات ها ريسيده م يشوند نيز توليد حباب مي كند. بالغ بر 90 درصد اين نمك از طريق شستشو پودر ليگنن
(يعني قبل از ريسندگي) با آب مقطر كمي اسيدي قابل رفع است. كه در اي نصورت عمل خشك كردن مجدداً روي ليگنن بايد انجام
گيرد. از آنجا كه ليگنن در دماي بالاتر از 150 درجه سانتيگراد ريسيده مي شود، حذف آب و مواد فرار آلي در بالابردن كيفيت ليف
محصول بسيار حياتي است. فرآيند ريسندگي دو مرحله اي (ابتدا توليد دانه از پودر ليگنن و بعد ذوب آن و توليد ليف) براي كاهش
پديده ايجاد حباب ناشي از مواد فرار ، مورد استفاده قرار مي گيرد. توده مواد فرار در هنگام فرايند توليد دانه ها حذف مي گردد. اين
مرحله دانه اي كردن مزيت ديگري هم دارد و آن ايجاد يك محصول واسطه- اوليه ليگنن است كه قابل انبار كردن و يا حم لو نقل
است و در واقع خود يك محصول تجاري و قابل حمل و ذخيره است. در ريسندگي چند فيلامنتي، از اين دانه ها بعنوان ماده اوليه
استفاده م يشود. اگرچه توليد مقدماتي محصول دان هاي (گرانول) از مقدار مواد فرار- كه عامل ايجاد حباب و حفره در ساختار ليف
در الياف مي شود. تغيير در (microvoids) هستند- مي كاهد، اما مقداري از اين مواد هنوز باقي مي ماند كه باعث ايجاد ريزحباب
ساختار اكسترودر باعث بهبود الياف و كاهش وضعيت شكست پذيري آن شد. اين تغييرات در دانشگاه تنس روي اكسترودر مارپيچي
انجام شد. شكل انتهاي گسيخته شده ليف نمونه را نشان مي دهد. اين ليف توسط اكسترودر با برش ZSE- دوقلو مدل 27
توليد شد هبود. شكل محل پارگي نشان م يدهد كه ساختار غير ايزوتروپيك در ليف حاكم بود هاست. ( high-shear) بالا
مشاهده مي شود. با اين وجود graphene crystallites حتي در اليافي كه 1200 درجه حرارت ديده اند مقدار قابل توجهي
10 ميكرون در - اين الياف خواص كريستالي بيشتري نسبت به اليافي كه حرارت بالاتري ديده اند ندارند. توليد الياف ليگنن با قطر 20
300 ميكرون) خواهد داشت. در طي آزمايشات - دسته فيلامنت كوچك 4 تا 28 ليفي، نياز به اكسترودري با روزنه هاي ريز( 600
مذكور، روزن هها مي گرفت. براي رفع اين مشكل الك ويژه اي براي حذف ذرات مزاحم انجام شد و كيفيت مخلوط توسط
ميكروسكوپ هاي نوري و الكتروني ارزيابي شد.
ناخالصي رايج موجود در ليگنن شامل دانه هاي شن، موجودات قارچي و الياف سلولزي مي باشد. اين مسئله به دو روش ساده قابل
كنترل است:
1 ) قبل از ريسندگي، پودر ليگنن خشك شده را تحت الك زني دوبعدي قرار م يدهند تا ذرات درشت تر جدا گردد.
2 ) يك فيلتر ظريف نيز قبل از ريسندگي دانه هاي ليگنن، كار حذف شن هاي ريز را انجام مي دهد.
اگرچه اين پيشگيري ها براي توليد در مقياس كوچك كفايت م يكند، اما براي توليد در مقياس صنعتي احتمالاً راهبرد ديگري
مي طلبد. براي دستيابي به تراكم ريسندگي قابل قبول براي الياف لازم است كه فاز يكدستي در حالت مذاب داشته باشد. مضافاً
اين كه براي حصول چان حالتي يك فرآيند اختلاط بلافاصله قبل از اكسترودر لازم است.
همانند الياف كربن تجاري، الياف صاف مبتني بر ليگنن در نمونه هاي كامپوزيت كوچك و آزمايشي نيز نسبت به رزين زمينه
كامپوزيت لغزش و جدايي نشان مي دهد.
يك تكميل سطحي براي بهبود چسبندگي بين الياف كربن و رزين پايه توسعه يافته است. مطالعات مقدماتي با استفاده از تكميل
باعث بهبود قابل توجه در چسبندگي بين الياف كربن مبتني بر ليگنن و Dow A پلاسما و تكميل سيلان معمولي با دستگاه 1100
رزين اپوكسي ملاحظه شد. شكل 6 عكس معمولي و ميكروسكوپ الكتروني از سطح الياف را در كامپوزيت در اين ارزيابي نشان
مي دهد. اليافي كه با پلاسما و سلان تكميل شده است چسبندگي خوبي به رزين در آزمون گسست نش.در سال بعد تعدادي از
كارهاي آزمايشگاهي روي بهبود كيفيت ماده اوليه ليگنن براي الياف كربن طر حريزي و متمركز شد. آنطور كه توسط طي فسنج
مشاهده شده است،در ليگنن مقواي تجاري مقدار قابل توجهي از ذرات پلي ساكاريد كه به (NMR) رزونانس مغناطيسي هسته
طريقه پيوند شيميايي تشكيل شده اند وجود دارد. شيوه هاي هيدروليز پلي ساكاريدهاي متصل به ليگنن به چند علت مورد ارزيابي
قرار گرفتند:
-1 كربوهيدرات مي تواند به علت كربونيزاسيون باعث چسبندگي به قطعات اكسترودر در حين فرايند شود.
-2 پلي ساكاريدها احتمالا باعث افزايش مقدار آب متصل شده به توده ليگنن مي شود.
-3 پلي ساكاريدها بازده كربني پاييني دارند.
فيلتر كردن مايع سياه اوليه جهت نمك گيري مي تواند تاحدود زيادي تجمع مواد ذره اي در ليگنن حاصل از رسوب گيري را كاهش
دهد. استفاده از فرايند خمير سازي كم نمك مي تواند كاهش بيشتري را در پيشگيري از تجمع اين ذرات ناخواسته به دنبال داشته
باشد. تاثير وزن ملكولي ليگنن در خواص الياف نيز مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت.
منبع: مديريت صنايع نساجي