1. 炭素繊維材料の製造工程
カーボンファイバーの製造プロセスは複雑で高価です。 PAN ベースの炭素繊維の製造プロセスは次のとおりです。
1. 重合と紡糸
- 前駆体の調製はアクリロニトリルモノマーから始まり、反応器内で可塑化アクリルコモノマーおよび触媒 (イタコン酸、二酸化硫酸、硫酸、メタクリル酸など) と混合されます。粘度と純度を確保し、アクリロニトリル分子構造内でフリーラジカルの形成を開始するために成分を継続的に撹拌し、アクリル繊維を形成できる長鎖ポリマーを生成します。
- PAN 繊維は湿式紡糸または乾式ジェット/湿式紡糸 (混合プロセス) によって形成されます。湿式紡糸は、濃縮溶液を液体凝固浴に浸漬し、貴金属製の紡糸口金の穴を通して押し出します（紡糸口金の穴は、PAN 繊維の必要なフィラメント数と一致します）。湿式紡糸された繊維は、過剰な凝固剤を除去するために水洗によって延伸され、次に乾燥および延伸されて、PAN ポリマーの配向が引き続き改善されます。ドライジェット/ウェットスピニングでは、繊維と凝固浴の間に空気セグメントがあり、滑らかな丸いPAN繊維が得られます。
- PAN 前駆体繊維プロセスの最終ステップは油を塗布することで、巻き取る前にトウが互いにくっつくのを防ぎます。
2. 酸化（安定化）
- 予備酸化は炭素繊維の準備プロセスの中で最も長いプロセスであり、酸化オーブンの温度は 392 度から 572 度 (200 度から 300 度) の範囲です。
- このプロセスでは、空気中の酸素分子が PAN 繊維と結合し、ポリマー鎖の架橋が始まり、繊維密度が 1.18g/cc から 1.38g/cc まで増加します。
- PAN 繊維の制御不能な発熱（酸化中に放出される総発熱エネルギーは 2,000kJ/kg と推定されており、火災の危険性があります）を避けるために、前酸化オーブンのメーカーはさまざまな気流設計を使用して、熱を放散し、温度を制御します。酸化時間は前駆体繊維の化学反応によって異なりますが、通常は 60 ～ 120 分で、各生産ラインには 4 ～ 6 台のオーブンが必要で、これらを積み重ねて 2 つの加熱ゾーンを設けることができます。酸化された PAN 繊維には約 50% - 65% の炭素分子が含まれており、残りは水素、窒素、酸素の混合物です。
3. 炭化（高弾性炭素繊維を製造するには黒鉛化プロセスが必要です）
- 炭化反応は特別に設計された炭化炉で実行され、不活性 (酸素のない) 雰囲気保護が必要です。
- 酸素が存在しない場合、シアン化水素やその他の VOC を含む非炭素分子 (安定化中に 40 - 80 ppm の濃度で生成される) と微粒子のみが除去され、高温炉から排出されます。環境制御された焼却炉で処理されます。
- 炭素含有量が 90% 以上の炭素繊維を製造するには、炭素分子の結晶化を最適化するために、炭化プロセス中に一定の引張張力を適用する必要があります。カーボンファイバーと高弾性カーボンファイバー（「グラファイトファイバー」としても知られる）の違いは、前者は約1315度/2400度Fで炭化された炭素含有量が93％- 95％のファイバーであるのに対し、後者は1900 - 2480度（3450 - 4500度F）で黒鉛化され、99％を超える炭素含有量を持っています。高弾性率および超高弾性率の炭素繊維のコストが比較的高いのは、滞留時間の長さと、高温炉内で到達しなければならない温度が原因の 1 つです。
4. 表面処理とサイジング
・複合材料の強化にはマトリックス樹脂と炭素繊維との密着性が不可欠であり、炭素繊維の製造工程においては、この密着性を高めることが表面処理の目的となります。
2. カーボンファイバーパドル成形工程
1. 成形方法
- プロセスフロー: 材料準備 → 積層 → 金型投入 → ホットプレス → 冷却、脱型 → 加工および成形 → その後の研削および研磨、スプレーおよび研削など。金型に入る前に、金型の洗浄、金型の予熱、および離型剤の塗布も実行する必要があります。
- 具体的な手順
- 金型の洗浄: 前回の使用で金型に残った樹脂や破片を取り除き、金型を清潔で滑らかに保ちます。
- 金型の予熱: 金型を熱処理します。
・離型剤塗布：予熱後、成形品と金型の貼り付きを防ぐために、金型の溝に離型剤を一定量塗布します。
- 材料の準備：製品となる炭素繊維の原料を準備し、材料の面積と枚数を計算します。
- 材料を積み重ねる: 原料を一層ずつ積み重ね、積み重ねられた材料を予備プレスして、規則的な形状と一定の品質を備えた緻密な体を形成します。
- 金型に入る：積み重ねた原材料を金型に入れ、中にプラスチックエアバッグを入れ、金型を閉じ、全体を金型閉鎖機に入れ、内部プラスチックエアバッグに一定の圧力と温度を加え、一定の圧力を設定します。それを固める時間。
- 冷却と脱型: 一定時間ホットプレスされた金型を冷却し、その後金型を開いて脱型します。
- 加工と成形: 脱型後に製品を洗浄する必要があり、残留プラスチックをスチールブラシまたは銅ブラシでこすり落とし、圧縮空気で吹き飛ばす必要があります。成形品は研磨して表面を滑らかに整えます。
- 特徴：大量生産に適しており、品質は安定していますが、生産コストが高く、多額の投資が必要です。
2.ハンドレイアップラミネート法
- 作業プロセス: 接着剤を含浸させた炭素繊維シートを切断して積層するか、層の片面に樹脂をブラシで塗布し、熱プレスします。
・特長：繊維の方向、大きさ、太さが自由に選べます。方法は簡単で低コストです。大きな機械がなくても完成します。製品価格は安いですが、成型品に比べ品質は劣ります。
3. ワインディング成形法
- 適用範囲: 炭素繊維シャフトに炭素繊維モノフィラメントを巻き付けることは、主に炭素繊維チューブの製造のためのシリンダーや中空容器の製造に特に適しています。
4. 押出・絞り成形法
・作業工程：まずカーボン繊維に完全に浸透させ、押出・延伸により樹脂と空気を除去し、炉内で硬化・成形します。
・特長：シンプルで棒状・管状部品の作製に適しています。
