วิธีแยกแยะความแตกต่างระหว่างกระบวนการพรีออกซิเดชัน/คาร์บอนไนเซชัน/กราไฟต์ไนเซชัน

ลวดดิบที่ทำจาก PAN จำเป็นต้องผ่านกระบวนการออกซิไดซ์เบื้องต้น การคาร์บอนไนซ์ที่อุณหภูมิต่ำ และการคาร์บอนไนซ์ที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้ได้ลวดที่มีคุณสมบัติตามต้องการเส้นใยคาร์บอนจากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการกราไฟต์เพื่อให้ได้เส้นใยกราไฟต์ โดยอุณหภูมิจะอยู่ระหว่าง 200 ถึง 2000-3000 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาต่างๆ และสร้างโครงสร้างที่แตกต่างกัน ส่งผลให้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปด้วย
1. ขั้นตอนการไพโรไลซิส:การออกซิเดชันเบื้องต้นในส่วนอุณหภูมิต่ำ การคาร์บอนไนเซชันที่อุณหภูมิต่ำในส่วนอุณหภูมิสูง
กระบวนการอาริเลชันก่อนออกซิเดชันเกิดขึ้นเป็นเวลานานเกือบ 100 นาที ที่อุณหภูมิ 200-300 องศาเซลเซียส โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเปลี่ยนสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่เชิงเส้นของเทอร์โมพลาสติก PAN ให้เป็นโครงสร้างรูปสี่เหลี่ยมคางหมูทนความร้อนที่ไม่เป็นพลาสติก ปฏิกิริยาหลักคือการเกิดวงแหวนและการเชื่อมโยงข้ามโมเลกุลของสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ พร้อมกับการเกิดปฏิกิริยาไพโรไลซิสและการปลดปล่อยโมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมาก ดัชนีอาริเลชันโดยทั่วไปอยู่ที่ 40-60%
อุณหภูมิการคาร์บอนไนเซชันต่ำโดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ที่ 300-800 ℃ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาการแตกตัวด้วยความร้อน โดยส่วนใหญ่ใช้เตาไฟฟ้าอุณหภูมิสูงในการให้ความร้อนด้วยลวด ในขั้นตอนนี้จะเกิดก๊าซไอเสียและน้ำมันดินจำนวนมาก
ลักษณะเฉพาะ: สีของเส้นใยที่ผ่านการออกซิเดชันเบื้องต้นจะเข้มขึ้น โดยปกติจะเป็นสีดำ แต่ยังคงรักษารูปทรงของเส้นใยไว้ โครงสร้างภายในได้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในระดับหนึ่ง มีการก่อตัวของหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนและโครงสร้างเชื่อมโยงกันจำนวนมาก ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการเกิดคาร์บอนไนเซชันในขั้นตอนต่อไป
2. ขั้นตอนการเผาไหม้ด้วยความร้อนสูงกระบวนการนี้คือการเตรียมออกซิเดชันของสารตั้งต้นในบรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้เกิดการสลายตัว โดยนอกจากจะกำจัดอะตอมของคาร์บอนอื่นๆ (เช่น ออกซิเจน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน เป็นต้น) แล้ว ยังทำให้เกิดการคาร์บอนไนเซชันอย่างค่อยเป็นค่อยไป และเกิดเป็นโครงสร้างคาร์บอนอสัณฐานหรือคาร์บอนผลึกขนาดเล็ก กระบวนการนี้เป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างโครงกระดูกคาร์บอน โดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ระหว่าง 1000-1800 ℃ ส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาการควบแน่นด้วยความร้อน และส่วนใหญ่จะใช้เครื่องทำความร้อนกราไฟต์ในการให้ความร้อน
ลักษณะเฉพาะ: ส่วนประกอบหลักของวัสดุคาร์บอนไนซ์คือคาร์บอน โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นคาร์บอนอสัณฐานหรือโครงสร้างกราไฟต์ที่ไม่เป็นระเบียบ การนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกลเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์ก่อนการออกซิเดชัน
3. กราไฟต์เป็นกระบวนการให้ความร้อนเพิ่มเติมแก่ผลิตภัณฑ์คาร์บอนไนเซชันที่อุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อส่งเสริมโครงสร้างของคาร์บอนอสัณฐานหรือคาร์บอนไมโครคริสตัลไลน์ให้กลายเป็นโครงสร้างผลึกกราไฟต์ที่มีระเบียบมากขึ้น ด้วยการกระทำของอุณหภูมิสูง อะตอมของคาร์บอนจะถูกจัดเรียงใหม่เพื่อสร้างโครงสร้างชั้นตาข่ายหกเหลี่ยมที่มีทิศทางสูง จึงช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความร้อน รวมถึงความแข็งแรงเชิงกลของวัสดุได้อย่างมีนัยสำคัญ
ลักษณะเฉพาะ: ผลิตภัณฑ์กราไฟต์มีโครงสร้างกราไฟต์ที่เป็นผลึกสูง ซึ่งให้การนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม รวมถึงความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะสูง ตัวอย่างเช่น โมดูลัสสูงเส้นใยคาร์บอนได้มาจากการเกิดกราไฟต์ในระดับสูง
ขั้นตอนเฉพาะและอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับกระบวนการออกซิเดชันเบื้องต้น การคาร์บอนไนเซชัน และการกราไฟต์:
การเตรียมออกซิเดชันเบื้องต้น: ดำเนินการในอากาศที่อุณหภูมิควบคุม 200-300°C จำเป็นต้องมีการดึงเส้นใยให้ตึงเพื่อลดการหดตัวของเส้นใย
กระบวนการคาร์บอนไนเซชัน: ดำเนินการในบรรยากาศเฉื่อย โดยค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิขึ้นจนถึง 1000-2000°C
กระบวนการกราไฟต์: ดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (2000-3000°C) โดยปกติจะทำในสภาวะสุญญากาศหรือในบรรยากาศเฉื่อย