الیاف‌ کربن کم‌هزینه از منابع تجدیدپذیر

تولید الیاف کربن

الیاف‌ کربن :: در مشارکت وزارت انرژی برای تولید نسل جدیدی از وسایل نقلیه، نشان‌داده شد که استفاده از کامپوزیت‌های الیاف‌کربن با کم کردن وزن‌کلی به طرز چشمگیری مصرف سوخت وسیله نقلیه را کاهش می‌دهد. برای اینکه صنعت حمل‌و‌نقل از مزایای فناوری الیاف‌کربن برخوردار گردد، اساساً می‌بایست تولید آن افزایش یابد تا قیمت آن به ازای هر کیلوگرم به ۷ دلار کاهش پیدا کند. برای نیل به این مقصود، پیش‌ماده‌هایی انتخاب شدند و پلی اکریلو نیتریل (‏PAN‏) به عنوان ماده مناسب جهت تولید الیاف‌کربن شناخته شد.

مضافاً اینکه مقدار تولید لیفی که برای تامین ۱۰ تا۱۰۰ کیلو‌گرم برای هر یک از ۱۳ میلیون خودروی سبک و نیمه‌سنگین که سالانه در ایالات متحده تولید می‌شود کافی باشد ، می‌بایست از ۵ به ۵۰ برابر میزان تولید جهانی تولید الیاف‌کربن افزایش یابد. ارزش بالا، مواد تجدید‌پذیر و یا بازیافتی شامل لیگنن (ماده چوب)، الیاف‌سلولزی، الیاف‌بازیافتی معمولی با منشاء پتروشیمیایی، و نیز مخلوط اینها گزینه‌های مناسبی به نظر می‌رسند، زیرا قیمت این مواد ذاتاً پایین است و از طرفی نسبت به نوسانات قیمت در بازار نفت حساس نیست. این مطالعه نشان می‌دهد که تعدادی از پلیمرهای بازیافتی و تجدیدپذیر می‌تواند در فرآیند ذوب‌ریسی الیاف شرکت داده شود و بعنوان ماده اولیه تولید الیاف‌ کربن گزینه مناسبی هستند. مخلوط لیگنن با اکسترود شوندگی بالا در این میان بسیار جلب توجه می‌کند و می‌تواند به سهولت کربونیزه و گرافیتی شود. آزمون خواص و ساختار فیزیکی الیاف کربونیزه و گرافیتی، امکان‌پذیری مصرف آن را در کامپوزیت‌های کاربردی حمل‌و‌نقل مشخص می‌کند.

واژگان‌کلیدی: پیش‌ماده‌های الیاف کربن ، لیگنن، سلولزی، بازیافتی

الیاف کربن

‏۱- مقدمه
شرکت سهامی انرژی در مشارکت برای تولید نسل جدید وسایل‌نقلیه که از لحاظ مصرف انرژی مقرون به‌صرفه و نیز کم- آلاینده باشد با کارخانجات سازنده قطعات ماشین همکاری می‌کند. کاهش وزن وسیله نقلیه می‌تواند به طور معنی داری بازده انرژی را بهبود بخشد. وزن سبک کامپوزیت‌ها وزن‌کل را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد و از این طریق مصرف سوخت خودرو و نیز آلایندگی آن کاهش می‌یابد.
مانع بزرگی که در تولید کامپوزیت‌های الیاف‌ کربن پیشرفته در صنعت حمل‌و‌نقل وجود دارد هزینه فعلی بالای الیاف‌ کربن و نیاز بالای مواد صنعت است. صنعت به‌عنوان رکنی از تولید نسل جدید وسایط نقلیه تخمین زده است که قیمت الیاف‌کربن باید به ۷ دلار در هر کیلو‌گرم برسد تا جهت وسایل مسافرتی مورد توجه و استفاده قرارگیرد. چنین امری می‌طلبد که هزینه‌های مواد اولیه و تولید هر دو کاهش یابد. سرانه مصرفی فقط در حد ۱۰ کیلوگرم برای هر یک از ۱۳ میلیون دستگاه خودرو و نیز وسایط نیمه سنگین تولید شده در ایالات متحده، چنین ایجاب می‌کند که تولید الیاف کربن به ۵ برابر کل مقدار جهانی در حال حاضر برسد و سرانه مصرفی در حد ۱۰۰ کیلوگرم برای تجهیزات داخلی وسایل نقلیه مسافرتی، این توقع را به ۵۰ برابر تولید کنونی جهان بالا می‌برد. افزایش تولید الیاف‌کربن خود با چالش ویژه‌ای مواجه است به این دلیل که تولید کننده مجبور می‌شود تولید پیش‌ماده بکر را یکباره افزایش دهد.‏
این مطالعه بر ارزیابی مصرف تعداد زیادی از پلیمرهای تجدیدپذیر متمرکز شده است. مثل لیگنن و یا سلولز و نیز پلیمرهای بازیافتی معمولی شامل پلی‌اولفین‌ها و پلی‌استرها بعنوان مواد اولیه تولید الیاف‌کربن.

سطح مقطع الیاف کربن

‏۲- ملاحظات مربوط به ماده
پلیمرهای تجدید‌پذیر و بازیافتی معمولی به‌عنوان پیش‌ماده‌های الیاف‌کربن، چند امتیاز دارند؛ مثلاً این مواد کم هزینه هستند و به مقدار کافی جهت نیاز تولیدی صنایع حمل‌و‌نقل در دسترسند. به‌عنوان نمونه لیگنن دومین پلیمر فراوان جهان است که در هر گیاهی یافت می‌شود. این ماده حدوداً ۲۰ تا ۳۰ درصد وزنِ خشک چوب و زیست- توده را تشکیل می‌دهد. لیگنن پلیمری است که از همنشینی تصادفی (بی‌قاعده) سه جزء حاصل می‌شود که هر کدام یک گروه انتهایی از نوع آلکان دارند که با پیوند اتری به دیگری متصل شده است. در بسیاری از کشورهای پیشرفته، لیگنن و مشتقات آن از محصولات فرعی خمیرکردن چوب در فرآیند تولید کاغذ و مقوا و فرآورده‌های برپایه چوب هستند. با ارزیابی دقیق حجم لیگنن تولید شده و سوزانده شده توسط صنایع چوب و کاغذ را حدود ۱۰۰۰برابر کل تولید الیاف‌کربن جهان برآورد می‌شود. هرچند لیگنن و فرآورده‌های آن در تعداد معدودی از کارخانجات بازیافت می‌شوند اما صنایع چوب و کاغذ فعلاً سرگرم توسعه فرآیند‌های گازی‌کردن به شیوه دما- بالا(‏High temperature‏) جهت افزایش تولید خالص انرژی الکتریکی هستند. فرآیندهای گازی‌کردن می‌تواند تولید پیش‌ماده‌های الیاف‌کربن را تسهیل کند؛ در برخی موارد ممکن است سبب بازیافت و ذخیره‌سازی حجم بزرگی از لیگنن شود که از لحاظ تجاری موضوعی جالب توجه است. افزون بر این در دسترس بودن برق و حرارت لازم برای فرآیند دما- بالا می‌تواند سبب کاهش هزینه فرآیند تولید الیاف کربن گردد.(اشاره به برق اتمی) در طی سی سال گذشته مطالعه بر روی تولید الیاف‌کربن از لیگنن‌های قلیایی، تیو‌لیگنن‌ها و لیگنوسولفونات‌ها توسط چند تیم تحقیقاتی صورت گرفت و این مواد به عنوان مواد اولیه موفق برای الیاف کربن گزارش شدند. تولید الیاف کربن بر پایه لیگنوسولفونات در مقیاس آزمایشگاهی توسط شرکت ‏Nippon Kayaku‏ در دهه ۱۹۷۰ میلادی انجام گرفت و این محصول” کایا کربن” (‏Kayacarbon‏) نامیده شد. برای تولید این محصول الیاف بصورت خشک‌ریسی از یک محلول آبی قلیایی تولید می‌شد. بر اساس داده‌های ازمایشگاهی، الیاف کربن بر پایه لیگنن می‌توانند در دمای پایین‌تری با دوره پایداری کوتاه‌تری نسبت به سایر مواد اولیه پیشنهادی تولید شوند. دلیل آن هم این است که رادیکال‌های فعال ناشی از پیوند گروه‌های هیدروکسیل و نیز اتر موجود در پلیمر، عمل ایجاد پیوندهای عرضی (‏Crosslinking‏) را سهولت می‌بخشند. با این وجود، مقدار بالای سدیم در لیگنن بکار رفته برای آماده‌سازی الیاف کایاکربن تولید شده به علت اثر بازدارندگی، الیاف را در رده کارایی متوسط قرار می‌دهد.

علاوه بر مواد اولیه مشتق شده ازمنابع تجدیدپذیر، پلیمرهای بازیافتی نیز می توانند به عنوان ماده اولیه برای تولید الیاف کربن در مقیاس صنعتی بکار روند. جدول ۱ تعدادی از مواد را که به عنوان ماده اولیه تولید صنعتی الیاف کربن مورد ارزیابی و گزارش شده‌اند نشان می‌دهد. حجم بالایی از این مواد و مواد مرتبط در جریان‌های بازیافت قابل استحصالند و بسیاری از آن‌ها با قیمتی فراهم می‌شوند که قابلیت تامین نظر را در تولید الیاف کربن ارزان قیمت دارا هستند. با پیشرفت‌های حاضر در کیفیت و عملیات تولید، بسیاری از مواد مذکور پتانسیل مصرف به عنوان ماده اولیه تولید الیاف کربن را در مقیاس صنعتی پیدا کرده‌اند. با این حال مطالعات دقیقتر نشان داد که اگرچه مواد بازیافتی و تجدید پذیر پیش- ماده‌های خوبی هستند و غالبا خواص خوبی در لیف حاصل از آن‌ها مشاهده می‌شود، اما در بازار الیاف کاربردی خاص مثل آنچه در هوا- فضا مورد استفاده‌ قرار می‌گیرد، اقبال رو به کاهشی به آنها مشاهده می‌شود. پلی اکریلو نیتریل (‏PAN‏)، قطران و برای برخی مصارف، ریون نتایج موفقی در تولید الیاف کربن به همراه داشته‌اند. با این همه، صنعت حمل‌و‌نقل به مواد ارزان، پر‌حجم و با کارایی متوسط نیاز دارد. برای این حجم مصرف بالا مواد اولیه تجدید پذیر و بازیافتی مناسب‌تر به‌نظر می‌رسند.
تغییر در تولید صنعتی پلیمرها و روشهایی که طی آن پیش‌ماده‌های الیاف‌کربن بدست‌ می‌آیند و از دهه ۱۹۶۰ آغاز شده است به مقدار قابل توجهی کیفیت و استحکام الیاف‌کربن حاصل از سایر منابع را بهبود بخشیده‌است. به‌عنوان مثال، مقدار سدیم موجود در الیاف لیگنوسولفونات، که سبب هدر رفتن زحمات می‌شد، می‌تواند از طریق رسوب‌دهی تلفیقی (‏modem precipitation‏ ) و تکنیک‌های نمک‌زدایی (‏desalting techniques‏ ) کاهش یابد. کیفیت الیاف صنعتی پلی اولفین و پلی استر نیز با افزایش قابل توجه خلوص و پایداری ارتقاء یافته‌است. نظم و کشش پذیری، نمودار فرآیند دمایی کنترل‌شده و نیز فشار کنترل شده در مورد الیاف حاصل از ‏PAN‏ و قطران بهبود پیدا کرده‌است و اساسا این بهبود در مورد استحکام و سختی منتج از الیاف با منشاء تجدید پذیر و بازیافتی نیز در طی فرآیندهای اکسایش/زغالش (‏oxidation/carbonization‏) قابل تعمیم خواهد بود. افزون بر آن هزینه فرآیند به واسطه فناوری نوین و پیشرفته فرآیند مایکروویو آزمایشگاه ملی ‏Oak Ridge‏ کاهش بیشتری خواهد یافت.

ضرورت های ایمنی انسان و محیط نیز مشوقی برای توسعه الیاف و مخلوط‌هایی از الیاف است که به شیوه ذوب‌ریسی قابل تولید باشند. با استفاده از ذوب‌ریسی هزینه تولید را به واسطه حذف مصرف حلال و نیز بازیابی آن کاهش می‌دهد. کاربرد پلیمرهایی نظیر لیگنن و پلی‌اولفین‌ها که کم- نیتروژن یا اساساً بی نیتروژن هستند، هم خطرات انسانی ناشی از تولید ترکیبات سیانیدی را کاهش می‌دهد و هم مخارج همراه با آن از تخریب مقدماتی تا آزاد سازی غیر گازی. بدلیل هزینه کم، در دسترس بودن و نیز قابلیت ذوب ریسی، پلیمرهای مخلوط لیگنن گزینه‌ای مناسب برای تحقیقات جدید است.

۳- مباحث تجربی
۳-۱. مخلوط‌های الیاف : بازه گسترده‌ای از مخلوط‌های لیگنن با موفقیت ریسیده شدند. مواد تشکیل دهنده مخلوط شامل پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن‌ترفتالات و پلی‌اتیلن‌اکسید می‌باشند. اولفین‌ها و پلی‌استرها منابع در دسترس و قابل بازیافتی محسوب می‌شوند. الیاف مطلوبی که حاوی عوامل نرم‌کننده نیز هستند با موفقیت تهیه شده است.
آماده‌‌سازی لیگنن به دلیل حجم تولید بالا و هزینه پایین آن: لیگنن مقوا ‏Westvaco Indulin AT #1369‎‏ ترجیح داده‌شد. لیگنن از طریق شستشو با آب مقطرِ اسیدی نمک‌گیری شد. وقتی که غلظت مورد نمک حاصل شد، از طریق خشک‌کردن با هوا (و یا در موارد نادر به طریق خشک کردن انجمادی)، پودر لیگنن بدست آمد. این شیوه نوعاً غلظت نمک محلول در لیگنن را به کمتر از ‏ppm1000‎‏ کاهش می‌دهد که به طریقه خاکستر کردن (‏ashing‏) در دمای ۵۵۰ درجه سانتیگراد و در مدت یک ساعت اندازه گیری شد.
۳-۳. نمونه‌های الیاف گرافیتی شده برای دیفراکسیون پودری اشعه ‏X‏ ، به شیوه ایجاد یک مخلوط رقیق از پودر نمونه و متانول و پاشیدن آن روی یک صفحه زمینه صفر، آماده شد. اندازه‌گیری پراش اشعه ‏X‏ روی پودر در دمای اتاق به وسیله یک زاویه یاب از نوع ‏Scintag PAD V vertical ?/2‎‏? و با اشعه ‏CuKa ( kV and 40 rnA 45‎‏ ) و نیز آشکارساز حالت جامدِ ‏Si(Li) Peltier-cooled‏ انجام شد. داده‌ها به عنوان اسکن‌های مرحله‌ای به سایز گام معادلِ ?۲ ° ۰۲/۰ بر ثانیه و بین ?۲ ° ۷۰-۱۰ جمع‌آوری گردید. دمای محیط در طی این جمع آوری ۱±۲۹۸ درجه کلوین بود.

۳-۴. میکروسکوپ الکترونی: نمونه‌های الیاف روی پایه قرار گرفتند. این نمونه ‌ها در صورت نیاز می‌تواند با طلا پوشش داده‌شده‌ باشد. نمونه‌ها به وسیله میکروسکوپ الکترونی فیلیپس مدل ‏XL30 FEG‏ مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفت. دقت ویژه‌ای در خصوص آزمون سطح الیاف و نیز مقاطع انتهایی ان‌ها صرف شد. در این آزمون سه حالت خام، کربونیزه و گرافیتی الیاف مورد ارزیابی قرار گرفت. این میکروسکوپ بخشی از تجهیزات مشترک تحقیقاتی از مرکز تعاونی تحقیقات ‏ORNL‏ میباشد. مخلوط‌های پلیمری ذوب ریس‌شده لیگنن، که به صورت تجاری به عنوان محصول جانبی در فرایند تولید خمیر مقوا موجود است، در این مطالعات بکار گرفته شد. تحقیقات اولیه ژاپنی‌ها که در دهه ۱۹۷۰ جهت ارزیابی لیگنوسولفونات انجام گرفت آسانی کاربرد ترکیبات لیگنن را آشکار نمود. اما در تحقیقات ما از لیگنن مقوا استفاده شد زیرا حدود سه چهارم خمیر کاغذ خام کاربردی در مصارف روزمره به این شیوه تولید می‌شود. تصویر لیف مخلوط لیگنن حاصل از میکروسکوپ الکترونی در شکل مشاهده می‌شود.‏

با استفاده از فشار کنترل شده و دمای کوره کنترل شده برای این پروژه، الیاف مخلوط لیگنن ذوب ریسی شده مناسب و پایداری تولید گردید. میکروگراف‌های حاصل از میکروسکوپ الکترونی نشان داد که الیاف مخلوط لیگنن با دانسیته و تراکم مطلوب قابل استحصال است.شرایط پایدارسازی که کنترل مؤثری را روی پیوستگی لیف دارد و امکان کشش داغ لیف را فراهم می‌آورد در مورد برخی از الیاف مخلوط‌ لیگنن پیشرفت و توسعه یافته‌است. پس از پایدارسازی، الیاف در فشار در حال کاهش و تحت کشش داغ، کربونیزه می شوند. تک لیف‌های مخلوط لیگنن حاصله شکل گرفته و نقص ظاهری نسبتاً کمی در آن دیده می شود. بازده الیاف کربونیزه برای بیشتر مخلوط‌ها تقریباً ۵۰ درصد است؛ هرچند تغییراتی هم با توجه به درصد ترکیب و عیار مخلوط وجود دارد. برای اثبات اینکه الیاف گرافیتی از لیگنن مقوا قابل تولید است، الیاف مخلوط لیگنن- پلی‌استر در دمای ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد و تحت فشار کاهشی حرارت داده شد.

۴- مباحثه
ریسیده شدن گستره‌ای از الیاف مخلوط لیگنن که قابلیت اکسیده‌شدن، کربونیزه‌شدن و گرافیتی شدن را دارند با استفاده از تکنیک‌ها و تجهیزات بکار رفته در این پروژه اثبات گردید. ارزیابی مقدماتی نشان‌داد که تولید پیش‌ماده‌های الیاف‌کربن از منابع تجدید‌پذیر و مواد بازیافتی کاری شدنی و میسر است. بازده تولید الیاف حدود ۵۰ درصد به نظر می رسد. مطالعات بیشتری برای توسعه گستره الیاف و نیز بهبود شرایط فرآیند در دست انجام است.‏

‏ بهبود خواص بنیادی الیاف کربن برپایه لیگنن برای کاربرد حمل و نقل
همانطور که گفته شد برای کاهش مصرف سوخت وسایل نقلیه، کاهش وزن این وسایل راهی مناسب است. برای این‌منظور جایگزینی برخی قطعات و اجزاء خودروها با کامپوزیت‌های الیاف‌کربن روشی منطقی است و برای اینکه به‌ لحاظ اقتصادی و هزینه‌ای مقرون به صرفه باشد می‌بایست روشی را انتخاب نمود که قیمت تمام شده برای تولید کننده خودرو و درنتیجه خریداران آن منطقی باشد. استفاده از منابع فراوان و ارزان‌قیمت برای مواد‌اولیه می‌تواند به این امر کمک شایانی کند.

یکی از بهترین گزینه‌ها تولید پیش‌ماده‌های الیاف‌کربن از مخلوط‌های لیگنن مقوا (‏Kraft lignin blends‏ ) است. زیرا دارای امتیازاتی چون: فراوانی، ارزانی، بازده‌کربنی بالا و نیز قابلیت ذوب‌ریسی است. این مقاله به مطالعه قابلیت تولید دسته فیلامنت( ‏tow‏ ) از الیافی به ضخامت ۲۰-۱۰ میکرون می‌پردازد. سپس این دسته فیلامنت پایدارسازی شده، کربونیزه و بعد گرافیتی می‌شود بطوریکه به خواصی که مورد انتظار صنعت حمل و نقل است و نیز بازده قابل قبول دست یابد. با توجه به سهولت پایدارسازی این الیاف، تلاش‌ها روی اهداف دیگری متمرکز شد از قبیل:

– توسعه فناوری سودمند و مقیاس‌پذیر برای فرآوری محصول جانبی لیگنن مقوا جهت رفع آلاینده‌های ناخواسته( از قبیل خاکستر، الیاف سلولزی، ذرات ریز، مواد فرار آلی و حتی آب)
– بهبود ساختار ریسندگی دسته فیلامنت و الیاف کربونیزه
– افزایش چسبندگی میان الیاف و رزین
مطالعات جدیدتری نیز انجام شده‌است که روی بهبود زیردست، انعطاف‌پذیری ، پوشش‌دهی سطحی جهت بهبود استحکام سطحی و کاهش جذب آب و بهینه کردن فرآیند ریسندگی متمرکز است.

برنامه مطالعاتی مواد سبک‌سازی خودرو که توسط وزارت انرژی ایالات متحده با همکاری تولید‌کنندگان قطعات‌جانبی خودرو به اجرا درآمد. در این کشور انجمن تحقیقات حمل‌و‌نقل و شرکت مواد حمل‌و‌نقل و نیز کنسرسیوم (ائتلاف اقتصادی چند شرکت) کامپوزیت در حمل‌و‌نقل با هم متحد شدند تا وزن فولاد ساختمانی در خودرو را تا حد دو‌سوم کاهش دهند تا از این طریق مصرف سوخت کاهش یابد. این برنامه مبتنی است بر گسترش فناوری‌هایی که بتوان به کمک آنها پیش‌ماده‌های ارزان و فراوان را برای تولید الیاف کربن بکار گرفت و با کاهش هزینه تولید الیاف، صنعت حمل و نقل را به استفاده از کامپوزیت‌های الیاف کربن تشویق نمود. فناوری‌ها و اطلاعات لازم برای اجرایی شدن این پروژه بدست آمده‌است. مطالعاتی که با پشتیبانی این برنامه انجام شده عبارتند از:

۱- استفاده از دسته فیلامنت‌های نساجی ‏PAN‏ (پلی اکریلو نیتریل) که به طریق شیمیایی عمل شده‌اند.
۲- ذوب ریسی الیاف اولیه لیگنن از فرآیند خمیر‌سازی کاغذ مقوا (‏Kraft paper pulping‏ )
این مقاله بطور خاص مطالعاتی را گزارش می‌کند که جهت ذوب ریسی منوفیلامنت مخلوط لیگنن از طریق نمک‌گیری از لیگنن مقوای تجاری انجام شد و محصول ان با نام ایندولین(‏Indulin‏ ) توسط کمپانی میدوِست واکو(‏MeadWestvaco‏ ) به فروش رسید.
ملاحظات مربوط به مواد

لیگنن مقوا یک محصول جانبی فراوان در تولیدکاغذ از چوب است. در ساختار چوب، لیگنن ماده‌ای با زنجیره‌های طولانی است که به شکل تصادفی از همنشینی سه زیرساختار آروماتیک بوجود آمده است. کارخانه های کاغذ سازی روزانه قریب به ۸۵۰۰۰ کیلوگرم از لیگنن را به شکل شربت سیاه (‏black liquor‏ ) برای تأمین انرژی و چرخه های شیمیایی غیرآلی مصرف می‌کنند. همچنین لیگنن خشک و جامد شده و به عنوان ماده اولیه در تولید پلیمر‌ها کاربرد دارد. پیشتر تحقیقاتی تولید لیگنن را از منابع تجدید‌پذیر و بازیافتی ارزیابی کرده بود و نشان داد که تنها ۱۰ درصد از لیگنن امریکا برای تولید مقدار کافی از الیاف کربن که بتوان آنرا جایگزین نیمی از فولاد رایج بکار رفته در وسایط نقلیه کرد، کفایت می‌کند.
امکان مصرف یک محصول فرعی دارای منشاء زیستی و البته فراوان به عنوان ماده‌اولیه تولید الیاف کربن، امکان دسترسی به کامپوزیت ارزان و کاهش حساسیت به نوسانات بازار نفت (به‌عنوان پیش‌ماده تولید سایر مواد اولیه نظیرPAN‏) و کاهش صدمات زیست محیطی فعلی در تولید الیاف کربن را سبب می‌شود. از آنجا که لیگنن مقوا یک محصول فرعی است، دارای مقادیر قابل توجهی از آلودگی‌ها ناشی از منابع گوناگون است. در چوب لیگنن به عنوان بخشی از کمپلکس لیگنن- کربو هیدرات وجود دارد و زنجیره‌های کوتاه پلی‌ساکاریدی می‌تواند پس از فرآیند خمیر‌سازی بصورت متصل به لیگنن باقیمانده‌ باشد. محلول‌های موجود در خمیر مقوا ترکیبی از سولفید سدیم و هیدروکسید سدیم هستند که لیگنن تجاری از داخل آن رسوب می‌کند. مقدار رسوب، وزن مولکولی و نوع اشتقاق رسوب لیگنن متنوع است و آلودگی‌های ذره‌ای مثل ماسه و خاک که در فرآیند همراه چوب است نیز ممکن است با لیگنن رسوب کنند. همچنین لیگنن خشک شده دارای مقداری آب و مواد فرار است که می‌توانند باعث تشکیل حباب در طی فرایند ذوب ریسی شوند. لیگنن یک ماده ترد است اما می‌تواند با یک پلیمر نرم‌ساز مخلوط شده و تحت شرایط اکستروژن قرار‌گیرد. آن نرم‌ساز باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که با لیگنن سازگار بوده و یک سیستم تک فاز پلیمری را در داخل اکستروژن ایجاد کند.

مطالعاتی که در ادامه می‌آید تولید و ارزیابی یک تک فیلامنت ساخته شده از مخلوط را در مقیاس آزمایشگاهی گزارش می‌کند. این عمل در دو گام انجام می‌شود:
– لیگنن با گستره وسیعی از پلیمرهای گوناگون برای تولید قرص‌های کوچک مخلوط می شود مثل: پلی‌اولفین‌ها، پلی‌استرها، پلی‌اتیلن اکسید‌ها
– سپس این قرص‌های کوچک در ذوب ریسی به شکل تک فیلامنت ریسیده‌ می‌شود.
در مطالعات جدید‌تر، تولید الیاف ۱۰ تا ۳۰ میکرونی به شکل دسته فیلامنت های ۲ تا ۲۸ لیفی با استفاده از اکسترودر مارپیچی دوقلو ، گزارش شده است. بعد از اکستروژن و بوبین‌پیچی، پایدارسازی، کربونیزه کردن و گرافیتی کردن به روشی که در زیر می‌آید، روی الیاف انجام می‌شود. غالباً این الیاف دارای طول کافی برای عمل‌پذیری (‏handling‏ ) و کشش داغ را دارا می باشند. لذا همانطور که سه فرایند قبل روی الیاف انجام ‌می‌شود، طول و مدول آن نیز افزایش می‌یابد.

مبحث تجربی
مخلوط‌های لیف لیگنن مقوا : مخلوط‌های پلی‌استر غالباً از طریق فرآیند دو مرحله‌ای شامل اختلاط پودرهای مجزا با هم با کیفیت عالی و ذوب ریسی جهت تولید گرانول ؛ و نهایتاً استفاده از گرانول حاصل برای ریسیدن دسته لیفِ چند فیلامنتی. پلی‌استر مورد مصرف در این آزمایش یک ماده قابل بازیافت است.
آماده‌سازی لیگنن : بدلیل حجم بالای تولید و قیمت پایین یک لیگنن مقوا، مثل محصول ‏Westvaco Indulin AT #1369‎‏ ، به عنوان قسمت عمده لیف بکار گرفته شد. پودر لیگنن تجاری از طریق شستشو با آبِ مقطرِ اسیدی شده، نمک‌گیری می‌شود. هنگامی که غلظت مطلوب نمک حاصل شد، آنرا جدا و به طریقه سردسازی در دستگاه لیوفیلایزر ( دستگاهی که برای خشک کردن مواد به شیوه انجماد در لوله های بدون هوا بکار می‌رود: ‏lyophilizer‏) خشک می‌کنند و سپس در قفسه رطوبت‌گیر (مثل دسیکاتور) قرار می‌دهند. ناخالصی‌های ذوب نشونده شامل الیاف سلولزی و مواد قارچ‌گونه (دیاتومه‌ها) است که در برخی قسمت‌های لیگنن وجود دارد. این ضایعات با استفاده از الک‌کردن دو بعدی (۲ ‏dimensional sieving‏ ) بر طرف می‌شوند.
ذوب ریسی چند لیفی : در ادامه، مخلوط‌ الیاف، از مخلوط کردن پودرهای مجزای لیگنن و پلی‌استر و روزن‌رانی(اکستروژن کردن) گرانول‌ها (‏pellets‏) آماده می‌شود. این دانه‌ها با استفاده از اکسترودر دو قلوی مارپیچی مدل ‏Leistritz ZSE-27‎‏ با اسپینرت ۴ تا ۲۸ روزنه‌ای، مستقیماً ذوب ریسی می‌شوند. برای حذف اجزاء ذوب نشده از قبیل لیگنن و سایر مواد، از یک فیلتر ویژه قبل از روزن‌ران استفاده می‌شود. پس از اکستروژن، الیاف بر روی بوبین پیچیده می‌شوند. دمای اکستروژن در این فرآیند به ترکیب مخلوط الیاف بستگی دارد.

پخت الیاف : کنترل کامپیوتری با استفاده از سامانه ‏Lab VIEW‏ در هماهنگی با کنترل کننده‌های جریان ماده، برای دقت هرچه بیشتر در کنترل فشار و منحنی زمان- دمای کوره بکار گرفته شد. کوره توسط سیستم کنترل ‏Eurotherm 2416‎‏ با استفاده از نرم افزار کامپیوتری ‏Eurotherm ITOOLS‏ کنترل می‌شود. در فرآیند پایدارسازی، تک لیف حاصله روی ورقه کوآرتز تحت کشش قرار می‌گیرد. این کار در هوا یا محیط غنی از اکسیژن و در لوله کوآرتز سه ناحیه‌ای کوره ۳-‏zone LindberglBlue M‏ به قطر ۱۳۰ میلیمتر انجام می‌گیرد. در آزمایشِ نمونه، طول کوره ۵۰ سانتیمتری در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد که تریجاً به دمای ۲۰۰ درجه می‌رسد، در مدت یک ساعت باعث پایداری و تثبیت لیف می‌گردد. فرآیند کربونیزه کردن در یک کوره سه ناحیه‌ای ‏Lindberg/Blue M‏ مجهز به لوله‌ای به قطر ۷۷ میلیمتر، با ورودی گاز نیتروژن که با استفاده از یک اسفنج زیرکونیوم در نسبت غلظت کمتر ازppm 5/0‎‏ نسبت به گاز اکسیژن نگهداشته شده است، انجام می‌شود. اکسیژن خروجی غلظتی کمتر از ‏ppm 3‎‏ دارد و دما تدریجآً به ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد. در برخی آزمایشات، دسته تک فیلامنت‌ها حتی تا دمای ۱۶۰۰ درجه در کوره‌های مقاوم گرافیتی با محتوای گازی نیتروژن / آرگون حرارت داده شده‌است.

مطالعه با میکروسکوپ الکترونی( ‏SEM‏ ) : نمونه‌های الیاف روی سکوی ویژه قرارگرفته و با طلا پوشش‌کاری می‌شوند(البته اگر لازم باشد). سپس این نمونه‌ها توسط یک میکروسکوپ الکترونی ‏Philips XL30 FEG‏ مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این بررسی دقت ویژه روی سطح و انتهای الیاف مصروف گردید. الیاف خام، کربونیزه و گرافیتی‌شده مورد ارزیابی قرار گرفتند. میکروسکوپ مذکور به سیستم ‏EDS‏ برای تشخیص ترکیب عنصری (‏elemental‏ ‏composition‏) روی سطوح نمونه می‌باشد.
تحلیل به کمک پراش اشعه‏X‏ با زاویه باز و بسته : مطالعه به شیوه پراش‌اشعه ‏X‏ روی نمونه‌های خام و کربونیزه در دانشگاه تِنِس (با نام: ‏University of Tennessee Central X-ray Diffraction Facility Molecular‏ ‏Metrology Pinhole SAXS System‎‏ ) مجهز به سیستم ۱۲۰‏X, 2-D detector‏ روی دسته‌ای از الیاف که بصورت افقی در میان مجرای دستگاه قرار گرفته بود، انجام شد.
اصلاح سطح الیاف برای بهبود سازش پذیری: برای ارتقاء میزان سازش پذیری میان الیاف مبتنی بر لیگنن و رزینِ کامپوزیت، سطح الیاف با پلاسما مورد اصلاح قرار گرفت. شیوه موسوم به ‏Dow A 1100‎‏ مورد استفاده قرار گرفت چراکه برای بهبود سازش‌پذیری الیاف با رزین‌اپوکسی در نمونه‌های کوچک کامپوزیتی، روشی شناخته‌شده است. ‏

خواص الیاف‌کربن به کیفیت، ثبات و خلوص مواد اولیه آن بستگی دارد. نواقصی نظیر خلل و فرج، آلاینده‌ها و یا مواد خارجی می‌تواند شکستگی الیاف را در محصول به دنبال داشته باشد. الیاف لیگنن مقوای تجاری یک پودر قهوه‌ای رنگ بسار نرم است که به عنوان محصول جانبی از رسوب‌گیری محلول خمیرسازی و سپس خشک‌کردن آن رسوب بدست می‌آید. رفع آلودگی‌ها، نمک‌ها و سایر مواد خارجی، خود مستلزم رسوب‌گیری مجدد است که مشکلات خاص خود را دارد. توسعه شیوه‌های مقرون‌به‌صرفه برای خالص‌سازی لیگنن، گامی مؤثر در بهبود خواص محصول نهایی یعنی لیف کربن است.

اولین آلودگی‌هایی که در لیگنن مقوا به چشم می‌خورد، نمک‌های غیر‌آلی(ناشی از مواد شیمیایی بکار رفته در ساخت خمیر) و آب است. اگرچه انتظار می‌رود که تشکیل نمک‌ها در الیاف با دمای پایین اتفاق افتد، اما تبخیر نمک در الیافی که تحت دمای بالا از لیگنوسولفونات‌ها ریسیده می‌شوند نیز تولید حباب می‌کند. بالغ بر ۹۰ درصد این نمک از طریق شستشو پودر لیگنن (یعنی قبل از ریسندگی) با آب مقطر کمی اسیدی قابل رفع است. که در این‌صورت عمل خشک کردن مجدداً روی لیگنن باید انجام گیرد. از آنجا که لیگنن در دمای بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد ریسیده می‌شود، حذف آب و مواد فرار آلی در بالابردن کیفیت لیف محصول بسیار حیاتی است. فرآیند ریسندگی دو مرحله‌ای (ابتدا تولید دانه از پودر لیگنن و بعد ذوب آن و تولید لیف) برای کاهش پدیده ایجاد حباب ناشی از مواد فرار ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. توده مواد فرار در هنگام فرایند تولید دانه‌ها حذف می‌گردد. این مرحله دانه‌ای کردن مزیت دیگری هم دارد و آن ایجاد یک محصول واسطه- اولیه لیگنن است که قابل انبار کردن و یا حمل‌و‌نقل است و در واقع خود یک محصول تجاری و قابل حمل و ذخیره است. در ریسندگی چند فیلامنتی، از این دانه‌ها بعنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. اگرچه تولید مقدماتی محصول دانه‌ای (گرانول) از مقدار مواد فرار- که عامل ایجاد حباب و حفره در ساختار لیف هستند- می‌کاهد، اما مقداری از این مواد هنوز باقی می‌ماند که باعث ایجاد ریزحباب (‏microvoids‏) در الیاف می‌شود. تغییر در ساختار اکسترودر باعث بهبود الیاف و کاهش وضعیت شکست پذیری آن شد. این تغییرات در دانشگاه تِنِس روی اکسترودر مارپیچی دوقلو مدل ‏ZSE-27‎‏ انجام شد. شکل انتهای گسیخته‌شده لیف نمونه را نشان می‌دهد. این لیف توسط اکسترودر با برش بالا(‏high-shear‏ ) تولید شده‌بود. شکل محل پارگی نشان می‌دهد که ساختار غیر ایزوتروپیک در لیف حاکم بوده‌است.

حتی در الیافی که ۱۲۰۰ درجه حرارت دیده‌اند مقدار قابل توجهی ‏graphene crystallites‏ مشاهده می‌شود. با این وجود این الیاف خواص کریستالی بیشتری نسبت به الیافی که حرارت بالاتری دیده‌اند ندارند. تولید الیاف لیگنن با قطر ۲۰-۱۰ میکرون در دسته فیلامنت کوچک ۴ تا ۲۸ لیفی، نیاز به اکسترودری با روزنه‌های ریز(۶۰۰-۳۰۰ میکرون) خواهد داشت. در طی آزمایشات مذکور، روزنه‌ها می‌گرفت. برای رفع این مشکل الک ویژه‌ای برای حذف ذرات مزاحم انجام شد و کیفیت مخلوط توسط میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی ارزیابی شد.‏

‏ ناخالصی رایج موجود در لیگنن شامل دانه‌های شن، موجودات قارچی و الیاف سلولزی می‌باشد. این مسئله به دو روش ساده قابل کنترل است:
۱ ) قبل از ریسندگی، پودر لیگنن خشک شده را تحت الک زنی دوبعدی قرار می‌دهند تا ذرات درشت‌تر جدا گردد.
۲ ) یک فیلتر ظریف نیز قبل از ریسندگی دانه‌های لیگنن، کار حذف شن‌های ریز را انجام می‌دهد.‏

اگرچه این پیشگیری‌ها برای تولید در مقیاس کوچک کفایت می‌کند، اما برای تولید در مقیاس صنعتی احتمالاً راهبرد دیگری می‌طلبد. برای دستیابی به تراکم ریسندگی قابل قبول برای الیاف لازم است که فاز یکدستی در حالت مذاب داشته باشد. مضافاً این‌که برای حصول چان حالتی یک فرآیند اختلاط بلافاصله قبل از اکسترودر لازم است. همانند الیاف کربن تجاری، الیاف صاف مبتنی بر لیگنن در نمونه‌های کامپوزیت کوچک و آزمایشی نیز نسبت به رزین زمینه کامپوزیت لغزش و جدایی نشان می‌دهد.

یک تکمیل سطحی برای بهبود چسبندگی بین الیاف کربن و رزین پایه توسعه یافته‌است. مطالعات مقدماتی با استفاده از تکمیل پلاسما و تکمیل سیلان معمولی با دستگاه ‏Dow A1100‎‏ باعث بهبود قابل توجه در چسبندگی بین الیاف کربن مبتنی بر لیگنن و رزین اپوکسی ملاحظه شد. شکل ۶ عکس معمولی و میکروسکوپ الکترونی از سطح الیاف را در کامپوزیت در این ارزیابی نشان می‌دهد. الیافی که با پلاسما و سلان تکمیل شده‌است چسبندگی خوبی به رزین در آزمون گسست نش.در سال بعد تعدادی از کارهای آزمایشگاهی روی بهبود کیفیت ماده اولیه لیگنن برای الیاف کربن طرح‌ریزی و متمرکز شد. آنطور که توسط طیف‌سنج رزونانس مغناطیسی هسته (‏NMR‏) مشاهده شده است،در لیگنن مقوای تجاری مقدار قابل توجهی از ذرات پلی ساکارید که به طریقه پیوند شیمیایی تشکیل شده‌اند وجود دارد. شیوه‌های هیدرولیز پلی ساکاریدهای متصل به لیگنن به چند علت مورد ارزیابی قرار گرفتند:

۱- کربوهیدرات می تواند به علت کربونیزاسیون باعث چسبندگی به قطعات اکسترودر در حین فرایند شود.
۲- پلی ساکاریدها احتمالا باعث افزایش مقدار آب متصل شده به توده لیگنن می شود.
۳- پلی ساکاریدها بازده کربنی پایینی دارند.
فیلتر‌کردن مایع سیاه اولیه جهت نمک‌گیری می‌تواند تاحدود زیادی تجمع مواد ذره‌ای در لیگنن حاصل از رسوب‌گیری را کاهش دهد. استفاده از فرایند خمیر‌سازی کم نمک می‌تواند کاهش بیشتری را در پیشگیری از تجمع این ذرات ناخواسته به‌دنبال داشته باشد. تاثیر وزن ملکولی لیگنن در خواص الیاف نیز مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.‏

‏
‏
منابع

‏[۱] ‏Compere, A. L. Griffith, C. F. Leitten, Jr‏. ‏Shaffer, J. T. LOW COST CARBON FIBER
FROM RENEWABLE RESOURCES. Oak Ridge‏ ‏National Laboratory.Oak Ridge, Tennessee 37831‎‏.
[۲] ‏Compere, A. L. Griffith‏, ‏C. F. Leitten, Jr. IMPROVING THE FUNDAMENTAL PROPERTIES OF LIGNIN-BASED CARBON‏ ‏FIBER FOR TRANSPORTATION APPLICATIONS. Oak Ridge National Laboratory.Oak Ridge‏, ‏Tennessee 37831.S. Petrovan.University of Tennessee Chemical Engineering‏ ‏Department,Knoxville, Tennessee 37996‎

————————————————————————————