scholarly journals Σύνθεση προηγμένων πολυμερών και διεργασίες/τροποποιήσεις σύνθετων υλικών με βάση τον άνθρακα

2021 ◽  
Author(s):  
Παναγιώτης Γούλης
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Dry Spinning

H διατριβή επικεντρώνεται στη σύνθεση πρόδρομων ενώσεων ινών άνθρακα (Carbon Fibers - CF) με βάση πρώτες ύλες χαμηλού κόστους και όσο το δυνατόν πιο φιλικές στο περιβάλλον. Αποσκοπεί στην ενσωμάτωση επιθυμητών χαρακτηριστικών χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την απόδοση, την ποιότητα, τη λειτουργικότητα και την ωφέλιμη ζωή του τελικού προϊόντος, με στόχο την ελαχιστοποίηση των επιβλαβών επιπτώσεων των διάφορων ενώσεων στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον, επιλέγοντας οικολογικά υλικά ή πρακτικές σύνθεσης και χρησιμοποιώντας λιγότερους φυσικούς πόρους. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια, έγινε προσπάθεια αξιοποίησης της λιγνίνης, ενός φυσικού πολυμερούς, που βρίσκεται σε αφθονία στη φύση. Έτσι, πραγματοποιείται σύνθεση πρόδρομων ενώσεων ινών άνθρακα μέσω κλασικού ριζικού πολυμερισμού και οργανικών αντιδράσεων με βάση τη λιγνίνη, βασικό παραπροϊόν της χαρτοβιομηχανίας. H λιγνίνη είναι βιοπολυμερές που συναντάται στο ξύλο και είναι ένα από τα βασικά συστατικά που του προσδίδει αντοχή. Μέχρι σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως, κυρίως για καύση προς παραγωγή ενέργειας. Στην προσπάθεια εύρεσης νέων οικολογικών πρώτων υλών εξετάζεται τα τελευταία χρόνια η χρήση της λιγνίνης ως πρόδρομη ένωση CF με σκοπό την αύξηση της προστιθέμενής της αξίας. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της λιγνίνης, που την καθιστούν πολλά υποσχόμενη πρόδρομη ένωση για CF είναι α) το υψηλό ποσοστό σε άνθρακα (60%) που διαθέτουν τα μακρομόριά της, λόγω των φαινυλοπροπανικών ομάδων και β) ότι αποτελεί μια πολύ οικονομική, ανανεώσιμη και εύκολα διαθέσιμη από την φύση πρώτη ύλη. Παρόλα αυτά, αρκετά μειονεκτήματα της λιγνίνης που οφείλονται στα αρχικά στάδια της απομόνωσής της, επηρεάζουν τη διαδικασία ινοποίησης και τη σταθεροποίησή της στη συνέχεια. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να παρουσιάσει διαφορετικές πορείες για βελτίωση της παραγωγής πρόδρομων ινών άνθρακα, χρησιμοποιώντας εναλλακτικές πρόδρομες ενώσεις και κατάλληλη ρύθμιση των διεργασιών (π.χ. σταθεροποίηση). Αυτή η μελέτη έχει ως σκοπό να εισάγει τη λιγνίνη ως αποτελεσματικό πρόδρομο ινών άνθρακα, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και αυξάνοντας τον όγκο της. Κυρίως όμως εστιάζει στη διεξαγωγή πρωτοπόρων διαδικασιών με γραμμές ροής και βελτιωμένο έλεγχο μέσω μιας μονάδας για πιλοτική συνεχή παραγωγή πολυμερικών ινών. Στην παρούσα εργασία, ίνες λιγνίνης-πολυμερών με διαμέτρους της τάξης των μm συντίθενται επιτυχώς μέσω ξηρής ινοποίησης και ινοποίησης τήγματος. Η ξηρή ινοποίηση (dry spinning) είναι η διαδικασία δημιουργίας ινών που μετατρέπει ένα διάλυμα πολυμερούς με υψηλή τάση ατμών σε μία στερεή ίνα με ελεγχόμενη εξάτμιση διαλύτη στη γραμμή ινοποίησης. Σε αυτή την εργασία, συντίθενται διαφορετικοί τύποι πολυμερικών ινών μέσω της ξηρής ινοποίησης. Αυτές οι ίνες χαρακτηρίζονται με ποικίλες τεχνικές χαρακτηρισμού. Όμως, σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος της ινοποίησης τήγματος (melt spinning), η οποία είναι και η πλέον αποτελεσματική για συνεχή παραγωγή πολυμερικών ινών. Η ινοποίηση τήγματος είναι η διαδικασία παραγωγής ινών κατά την οποία από στερεά υλικά δημιουργείται ένα ρευστό πολυμερικό τήγμα το οποίο εκβάλλεται από τη μήτρα εκβολής, συνήθως με κυλινδρικό στόμιο, και ακολούθως έρχεται σε επαφή με μικρούς κυλίνδρους έλασης, όπου ελάσσεται, επιμηκύνεται και οδεύει προς περιτύλιξη.Σε αυτό το στάδιο δοκιμάζονται ποικίλες συνθέσεις έτσι ώστε να διερευνηθεί η παραγωγή ενός σύνθετου υλικού που να περιέχει λιγνίνη και το οποίο να είναι ταυτόχρονα ινοποιήσιμο και ικανοποιητικά κατεργάσιμο σε επόμενα στάδια. Στη συνέχεια ελέγχεται η σταθεροποίηση και ανθρακοποίηση χρησιμοποιώντας ποικίλες μεθόδους, θερμικές και χημικές, όπως για παράδειγμα θερμική οξειδωτική σταθεροποίηση, θερμική σταθεροποίηση σε αδρανή ατμόσφαιρα, και χημική σταθεροποίηση – σουλφονίωση. Έπειτα εξετάζεται η δύναμη εφελκυσμού των παραχθέντων ινών, κατασκευάζοντας κατάλληλα σύνθετα ρητίνης – πολυμερικών ινών σύμφωνα με συγκεκριμένο πρότυπο (dog-bones). Τα δοκίμια αυτά υποβάλλονται σε δοκιμές εφελκυσμού και έτσι υπολογίζεται η δύναμη εφελκυσμού, ενώ συγκρίνονται τα μέτρα ελαστικότητας μεταξύ των διαφορετικών ινών, ώστε να βγει συμπέρασμα σχετικά με το πως συνδέεται η χημική σύνθεση της ίνας και οι μηχανικές της ιδιότητες. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι μηχανικές ιδιότητες αυτών των συνθέτων αποδείχθηκαν της ίδιας τάξης μεγέθους ή και καλύτερες από την πλειοψηφία των συνθέτων φυτικών ινών, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Ακόμα, ερευνάται η ηλεκτροχημική τροποποίηση εμπορικών ινών άνθρακα (ηλεκτροχημική οξείδωση), όπως επίσης γίνονται και ορισμένα πειράματα ηλεκτροπολυμερισμού μεθακρυλικού οξέος στην επιφάνεια των ινών και διερεύνηση της επίδρασης αυτών των τεχνικών στις μηχανικές τους ιδιότητες.

scholarly journals A Comparison of Ethylene-Tar-Derived Isotropic Pitches Prepared by Air Blowing and Nitrogen Distillation Methods and Their Carbon Fibers

Materials ◽  
2019 ◽  
Vol 12 (2) ◽  
pp. 305 ◽  
Author(s):  
Kui Shi ◽  
Jianxiao Yang ◽  
Chong Ye ◽  
Hongbo Liu ◽  
Xuanke Li
Keyword(s):  
Tensile Strength ◽  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Raw Material ◽  
Bridge Structure ◽  
Aromatic Rings ◽  
Aromatic Molecules ◽  
Structures And Properties ◽  
Air Blowing ◽  
Condensed Structure

Two isotropic pitches were prepared by air blowing and nitrogen distillation methods using ethylene tar (ET) as a raw material. The corresponding carbon fibers were obtained through conventional melt spinning, stabilization, and carbonization. The structures and properties of the resultant pitches and fibers were characterized, and their differences were examined. The results showed that the introduction of oxygen by the air blowing method could quickly increase the yield and the softening point of the pitch. Moreover, the air-blown pitch (ABP) was composed of aromatic molecules with linear methylene chains, while the nitrogen-distilled pitch (NDP) mainly contained polycondensed aromatic rings. This is because the oxygen-containing functional groups in the ABP could impede ordered stack of pitch molecules and led to a methylene bridge structure instead of an aromatic condensed structure as in the NDP. Meanwhile, the spinnability of the ABP did not decrease even though it contained 2.31 wt % oxygen. In contrast, the ABP had narrower molecular weight distribution, which contributed to better stabilization properties and higher tensile strength of the carbon fiber. The tensile strength of carbon fibers from the ABP reached 860 MPa with fiber diameter of about 10 μm, which was higher than the tensile strength of 640 MPa for the NDP-derived carbon fibers.

Shell–core structured carbon fibers via melt spinning of petroleum- and wood-processing waste blends

Carbon ◽  
2015 ◽  
Vol 85 ◽  
pp. 194-200 ◽  
Author(s):  
Moo Sung Kim ◽  
Dong Hun Lee ◽  
Chang Hyo Kim ◽  
Yang Jin Lee ◽  
Jun Yeon Hwang ◽  
...  
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Processing Waste ◽  
Wood Processing

scholarly journals A Comparison of Ethylene Tar-Derived Isotropic Pitches Prepared by Air Blowing and Nitrogen Distillation Method and Their Carbon Fibers

2018 ◽  
Author(s):  
Kui Shi ◽  
Jianxiao Yang ◽  
Chong Ye ◽  
Hongbo Liu ◽  
Xuanke Li
Keyword(s):  
Tensile Strength ◽  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Raw Material ◽  
Distillation Method ◽  
Aromatic Rings ◽  
Aromatic Molecules ◽  
Structures And Properties ◽  
Air Blowing ◽  
Condensed Structure

Two isotropic pitches were prepared by air blowing and nitrogen distillation method using ethylene tar (ET) as a raw material. And correspondent carbon fibers were obtained through conventional melt spinning, stabilization and carbonization. The structures and properties of resultant pitches and fibers were characterized and their differences were discussed in this work. The results showed that introduction of the oxygen by air blowing method could quickly increase the yield and softening point of pitch. Moreover, the air blown pitch (ABP) composed of linear methylene chains of aromatic molecules while the nitrogen distilled pitch (NDP) mainly contained polycondensed aromatic rings, which was due to the oxygen containing functional groups existed in ABP could impede order stack of pitch molecules and form methylene bridge structure, instead of aromatic condensed structure like NDP. Meanwhile, the spinnability of ABP was not decreased even containing 2.31 wt% oxygen. In contrast, ABP had narrower molecular weight distribution, which contributed to better stabilization properties and higher tensile strength of carbon fiber. The tensile strength of carbon fibers from ABP was reached to 860 MPa with fiber diameter of about 10 μm, which was higher than that of NDP-derived carbon fibers of 640 MPa.

scholarly journals Current overview of carbon fiber: Toward green sustainable raw materials

BioResources ◽  
2020 ◽  
Vol 15 (3) ◽  
pp. 7234-7259
Author(s):  
Yongjian Xu ◽  
Yan Liu ◽  
Shenglin Chen ◽  
Yonghao Ni
Keyword(s):  
Carbon Fiber ◽  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Raw Materials ◽  
Future Research ◽  
Process Conditions ◽  
Preparation Methods ◽  
Advantages And Disadvantages ◽  
Solution Spinning ◽  
And Performance

Lignin, as a potential precursor of carbon fiber, has the characteristics of abundant reserves, renewable and high carbon content, and its application in the preparation of carbon fibers has substantial cost advantages if some important processing and quality hurdles can be overcome. This paper reviews the preparation process of lignin-based carbon fibers, and moreover, describes the characteristics of carbon fiber prepared by different precursors compared with the presently used precursors. Three preparation methods for lignin-based carbon fibers are introduced: melt spinning, solution spinning, and electrospinning. The applicability, advantages, and disadvantages of the three preparation methods are analyzed from the aspects of process conditions and performance characteristics. Possible directions for future research are considered, with the goal of providing a reference for further study of lignin-based carbon fibers.

Carbon fibers from dry-spinning of acetylated softwood kraft lignin

Carbon ◽  
2014 ◽  
Vol 69 ◽  
pp. 626-629 ◽  
Author(s):  
Meng Zhang ◽  
Amod A. Ogale
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
Kraft Lignin ◽  
Dry Spinning ◽  
Softwood Kraft Lignin

Preparation of General Purpose Carbon Fibers by the Two-Step Method from Ethylene Tar Pitch

2012 ◽  
Vol 182-183 ◽  
pp. 198-202
Author(s):  
Zhi Wu Yang ◽  
Jia Ming Zheng ◽  
Ming Ming Chen ◽  
Cheng Yang Wang
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
Softening Point ◽  
Melt Spinning ◽  
Group Composition ◽  
General Purpose ◽  
Step Method ◽  
Thermal Stabilities ◽  
Air Blowing ◽  
Ft Ir ◽  
Single Method

In this paper, besides the single method of air blowing and thermal condensation, a new two-step combining method was taken to modulate the pitch precursor for carbon fibers: the ethylene tar pitch was first air-blown under 280 °C for 10 h, and then thermal-condensed in nitrogen under 380 °C. Then group composition, elemental and thermal analysis, FT-IR, SEM and polarized optical micrographs were used in this paper, and the influence of different methods of modulation on the performance of pitches was discussed. The results revealed that neither in the method of air blowing nor thermal treatment can the pitch with a high softening point and coking value but no mesophase be produced. However, isotropic spinnable pitch with high softening point (286 °C), coking value (80.2%) and superior thermal stabilities can be synthesized in the two-step combining method. Carbon fibers from such pitches had been produced through melt-spinning, stabilization and carbonization, they showed uniform diameters (about 15.5 μm) with smooth and homogeneous surfaces. After stabilization and carbonization, the shrinkage of carbon fibers’ diameter was limited to 6%.

Melt spinning pitch-based carbon fibers

Carbon ◽  
1989 ◽  
Vol 27 (5) ◽  
pp. 647-655 ◽  
Author(s):  
D.D. Edie ◽  
M.G. Dunham
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning

scholarly journals Theory and Simulation of Texture Formation in Mesophase Carbon Fibers

2001 ◽  
Vol 702 ◽  
Author(s):  
J. Yan ◽  
A. D. Rey
Keyword(s):  
Carbon Fibers ◽  
High Performance ◽  
Melt Spinning ◽  
Elastic Anisotropy ◽  
Defect Migration ◽  
Geometric Factors ◽  
Spinning Process ◽  
Defect Nucleation ◽  
Mesoscopic Theory ◽  
Selection Of

ABSTRACTCarbonaceous mesophases are spun into high performance carbon fibers using the melt spinning process. The spinning process produces a range of fiber textures whose origins are not well understood. Planar polar (PP) and planar radial (PR) textures are two ubiquitous ones. A model that describes the formation process of the PP texture based on the Landau-de Gennes mesoscopic theory for discotic liquid crystals, including defect nucleation, defect migration, and overall texture geometry, is presented, solved, and validated. The computed PP and PR textures phase diagram, given in terms of temperature and fiber radius, is presented to establish the processing conditions and geometric factors that lead to the selection of these textures. The influence of elastic anisotropy to the textures formation and structure is also characterized.

FTIR Study of the retardation effect of boric acid on the cyclization reaction of polyacrylonitrile

e-Polymers ◽  
2009 ◽  
Vol 9 (1) ◽  
Author(s):  
Qin Ouyang ◽  
Lu Cheng ◽  
Haojing Wang ◽  
Kaixi Li
Keyword(s):  
Fourier Transform ◽  
Infrared Spectroscopy ◽  
Boric Acid ◽  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Cyclization Reaction ◽  
Retardation Effect ◽  
Temperature Stabilization ◽  
Potential Applications ◽  
Acid Nature

AbstractA retardation effect of boric acid on the cyclization reaction of polyacrylonitrile (PAN) was clearly observed by Fourier transform infrared spectroscopy. The Lewis acid nature of boric acid probably accounts for this retardation effect. A quantitative evaluation of this effect was also made, indicating two potential applications, i.e., high temperature stabilization and melt spinning, which are favourable for the cheap and fast fabrication of PAN-based carbon fibers.

scholarly journals Fabrication of Activated Carbon Fibers with Sheath-Core, Hollow, or Porous Structures via Conjugated Melt Spinning of Polyethylene Precursor

Polymers ◽  
2020 ◽  
Vol 12 (12) ◽  
pp. 2895
Author(s):  
Jong Sung Won ◽  
Ha Ram Lee ◽  
Min Jun Lee ◽  
Min Hong Jeon ◽  
Seung Goo Lee ◽  
...  
Keyword(s):  
Activated Carbon ◽  
Carbon Fibers ◽  
Melt Spinning ◽  
Cost Effective ◽  
Bet Surface Area ◽  
Activated Carbon Fibers ◽  
Initial Modulus ◽  
Polyethylene Fiber ◽  
Core Fiber ◽  
Sheath Structure

Using polyethylene as carbon precursor, we have fabricated cost-effective carbon fibers with a sheath-core structure via conjugate melt spinning. Low-density polyethylene (LDPE) and high-density polyethylene (HDPE) were used as the sheath and core of the fiber, respectively, while sulfonation with sulfuric acid was conducted to enable the crosslinking of polyethylene. We demonstrated that carbonization and activation of the sheath-core-structured polyethylene fiber can result in a well-developed microporous structure in the sheath layer, and due to the core-sheath structure, the resulting activated carbon fibers exhibit a high tensile strength of ~455 MPa, initial modulus of ~14.4 GPa, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of ~1224 m2/g. Finally, activated carbon fibers with a hollow, sheath-core, and porous were successfully fabricated by controlling the degree of crosslinking of the LDPE/HDPE sheath-core fiber.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document