כיצד להבחין בין טרום חמצון/קרבוניזציה/גרפיטיזציה

חוטים גולמיים מבוססי PAN צריכים לעבור חמצון מקדים, פחמון בטמפרטורה נמוכה ופחמון בטמפרטורה גבוהה כדי ליצורסיבי פחמן, ולאחר מכן עוברים גרפיטיזציה ליצירת סיבי גרפיט. הטמפרטורה נעה בין 200℃ ל-2000-3000℃, מה שמבצע תגובות שונות ויוצר מבנים שונים, אשר בתורם בעלי תכונות שונות.
1. שלב הפירוליזה:חמצון מקדים בחלק בטמפרטורה נמוכה, פחמון בטמפרטורה נמוכה בחלק בטמפרטורה גבוהה
ארילציה טרום-חמצונית מתרחשת, אורכה כמעט 100 דקות, בטמפרטורה של 200-300 מעלות צלזיוס. מטרתה היא ליצור שרשרת מקרומולקולרית ליניארית של PAN תרמופלסטי למבנה טרפזי עמיד בחום שאינו פלסטיק. התגובה העיקרית של שרשרת המקרומולקולרית היא ציקליזציה וקישור בין-מולקולרי, מלווה בתגובת פירוליזה ושחרור של מולקולות קטנות רבות. מדד הארילציה הוא בדרך כלל 40-60%.
טמפרטורת פחמן בטמפרטורה נמוכהבדרך כלל 300-800 ℃, בעיקר תגובת פיצוח תרמית, לרוב באמצעות חימום תיל חשמלי בטמפרטורה גבוהה, השלב מייצר כמות גדולה של גזי פליטה וזפת.
מאפיינים: צבע הסיבים שעברו חמצון מראש יהפוך כהה יותר, בדרך כלל שחור, אך עדיין שומר על המורפולוגיה של הסיבים, המבנה הפנימי עבר מידה מסוימת של שינויים כימיים, היווצרות של מספר קבוצות פונקציונליות המכילות חמצן ומבנה קישור צולב, הנחת היסודות לפחמון שלאחר מכן.
2. שלב הפחמן (בטמפרטורה גבוהה), הוא תהליך של חמצון מקדים של החומר המבשר באטמוספרה אינרטית בטמפרטורה גבוהה, שבו מוסרים בנוסף להטרואטומי פחמן (כגון חמצן, מימן, חנקן וכו'), כך שמתרחשת פחמון הדרגתי ויצירת מבנה פחמן אמורפי או מיקרו-גבישי. תהליך זה הוא שלב מפתח ביצירת שלד הפחמן. הטמפרטורה היא בדרך כלל בין 1000-1800 ℃, בעיקר תגובת עיבוי תרמית, ורוב מחממי הגרפיט משמשים לחימום.
מאפיינים: המרכיב העיקרי של החומר המפוחם הוא פחמן, המבנה הוא בעיקר פחמן אמורפי או מבנה גרפיט כאוטי, המוליכות החשמלית והתכונות המכניות שלו גדלו משמעותית בהשוואה לתוצר טרום החמצון.
3. גרפיטיזציההוא טיפול חום נוסף של תוצרי פחמן בטמפרטורות גבוהות יותר כדי לקדם את המבנה של פחמן אמורפי או פחמן מיקרו-גבישי למבנה גבישי גרפיט מסודר יותר. באמצעות פעולת טמפרטורה גבוהה, אטומי פחמן מסודרים מחדש ליצירת מבנה שכבת סריג משושה עם דרגת אוריינטציה גבוהה, ובכך משפרים משמעותית את המוליכות החשמלית והתרמית ואת החוזק המכני של החומר.
מאפיינים: למוצר שעבר גרפיטיזציה יש מבנה גרפיט גבישי ביותר, המספק מוליכות חשמלית ותרמית מצוינת, כמו גם חוזק סגולי גבוה ומודולוס סגולי. לדוגמה, מודולוס גבוהסיבי פחמןמתקבלים באמצעות רמה גבוהה של גרפיטיזציה.
שלבים ספציפיים ודרישות ציוד לחמצון מקדים, קרבוניזציה וגרפיטיזציה:
קדם-חמצון: מתבצע באוויר בטמפרטורה מבוקרת של 200-300 מעלות צלזיוס. יש להפעיל מתח כדי להפחית את הצטמקות הסיבים.
קרבוניזציה: מתבצעת באטמוספרה אינרטית עם עלייה הדרגתית בטמפרטורה ל-1000-2000 מעלות צלזיוס.
גרפיטיזציה: מתבצעת בטמפרטורות גבוהות יותר (2000-3000 מעלות צלזיוס), בדרך כלל בוואקום או באטמוספרה אינרטית.