“Pekerjaan CSIRO berpusat pada langkah pertama dalam produksi serat karbon, termasuk polimerisasi akrilonitril menjadi poli akrilonitril dan kemudian pemintalan dan pemrosesan lebih lanjut PAN untuk menghasilkan serat prekursor yang lebih berkualitas dan lebih murah,” jelas Abbott. Produksi PAN menyumbang 50% dari biaya serat karbon tetapi 70-90% dari propertinya. “Teknologi Deakin University melibatkan langkah terakhir dalam produksi serat karbon, termasuk oksidasi dan karbonisasi,” lanjutnya. “Teknologi yang mereka lisensikan ke LeMond Composites (Oak Ridge, Tenn., A.S.) adalah untuk oksidasi cepat yang bertujuan menurunkan biaya langkah terakhir ini.”
Untuk mencapai tujuannya untuk serat karbon generasi berikutnya, CSIRO menggunakan seperangkat alat strategis:polimerisasi RAFT, proses kimia FLOW, dan metrologi CarbonSpec. “Tujuan kami adalah untuk menghasilkan serat karbon tingkat kedirgantaraan dengan kekuatan 20% lebih tinggi,” kata Abbott, seraya mencatat bahwa tim berharap mendapatkan beberapa hasil awal pada akhir 2020.
Dengan 5.000 karyawan, 55 situs, delapan unit bisnis, dan anggaran sekitar $1 miliar, proyek CSIRO mencakup berbagai topik — misalnya, pencetakan 3D, biopolimer, implan medis, pakaian pintar, eksplorasi astronomi/ruang angkasa — dan melibatkan lebih dari 2800 mitra setiap tahun. “CSIRO menemukan dan mematenkan LAN Nirkabel,” jelas Abbott, “dan menggunakan pendapatan itu untuk mendanai penelitian lain.”
Salah satu dari 55 situsnya ada di Silicon Valley, California CSIRO US menghubungkan para peneliti Australia dengan proyek-proyek AS untuk mempercepat kemajuan ilmiah di berbagai bidang seperti ruang angkasa, pertanian, konservasi air, kebakaran hutan, dan kota pintar. Tujuannya adalah kemitraan inovasi terbuka yang menyatukan kompetensi penelitian mendalam serta pengalaman dengan berbagai masalah dunia nyata.
“Dalam komposit, CSIRO mengembangkan resin dan teknik pengolahan baru,” lanjutnya. “Kami juga melakukan banyak pekerjaan dalam pemodelan komposit dan simulasi proses serta mengukur sifat serat karbon. Misalnya, kami telah mengembangkan instrumen baru untuk mengukur modulus transversal serat karbon, yang kemudian kami masukan untuk menyempurnakan pemodelan dan simulasi kami.”
“CSIRO memiliki hubungan strategis selama 30 tahun dengan Boeing,” kata Abbott. “Kami diakui sebagai pemasok teknologi Boeing tahun ini pada 2016 dan 2017.” Tim serat karbon CSIRO juga bekerja sama dengan University of Southern Mississippi (Hattiesburg, Miss., A.S.).
Untuk menyelesaikan penelitian yang diperlukan dalam prekursor serat karbon, CSIRO pertama-tama harus membangun jalur pemintalan basahnya sendiri. “Serat karbon hanya dibuat oleh segelintir produsen di seluruh dunia, yang masing-masing memiliki resep rahasia dan dipatenkan sendiri,” jelas kepala eksekutif CSIRO Dr. Larry Marshall pada peluncuran lini baru tahun 2017. Jalur percontohan dibuat khusus oleh MAE (Fiorenzuola d'Arda, Italia), produsen mesin yang berspesialisasi dalam peralatan proses polimer dan serat. “Ini dirancang seperti jalur komersial tetapi dalam skala yang lebih kecil,” jelas Abbott.
Dalam blog CSIRO, cara kerja garis dijelaskan menggunakan analogi membuat pasta. Mirip dengan adonan yang digunakan untuk membuat pasta, larutan polimer yang disebut dope digunakan untuk memutar serat prekursor PAN. Sama seperti adonan pasta yang diremas dan kemudian ditekan melalui cetakan untuk membuat untaian spageti yang panjang dan tipis, obat bius dicampur dan kemudian digumpalkan dan dipintal melalui pemintal multi-lubang untuk menghasilkan 500 hingga 12.000 helai serat PAN terpisah — semuanya lebih halus dari rambut manusia . Serat ini dicuci, diregangkan pada roller, distabilkan dalam serangkaian larutan, dikukus dan dikeringkan sebelum digulung untuk jalur karbonisasi di Carbon Nexus.
“Kami membutuhkan waktu lama untuk memahami sepenuhnya bagaimana membuat serat karbon dan bahan baku pendahulunya,” kata Abbott. “Tidak ada yang benar-benar ingin membantu kami, jadi kami harus belajar sendiri. Namun, sekarang kami memiliki kendali penuh atas proses pendahuluan, yang merupakan kuncinya, dan kemudian kami bekerja dengan Carbon Nexus untuk karbonisasi.”
Alat lain yang diterapkan CSIRO adalah teknologi RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer) yang dipatenkan dan dikomersialkan. RAFT adalah bentuk canggih dari polimerisasi radikal bebas terkontrol yang memungkinkan sintesis polimer yang disesuaikan dengan kontrol komposisi dan arsitektur yang belum pernah ada sebelumnya. Meskipun aplikasi untuk RAFT berkisar dari sistem pengiriman obat baru hingga pelumas dan pelapis industri, tim serat karbon CSIRO menggunakannya untuk mengontrol proses polimerisasi PAN.
“Polimerisasi konvensional dari monomer ke polimer menghasilkan polidispersitas yang luas — dengan kata lain, banyak panjang yang berbeda untuk rantai polimer,” jelas Melissa Skidmore, pemimpin tim kimia polimer CSIRO. “Jika kita menambahkan agen RAFT, bagaimanapun, kita sekarang mendapatkan rantai polimer dengan panjang yang hampir sama, dan dengan demikian distribusi berat molekul yang jauh lebih sempit. Kami masih menggunakan inisiator, monomer, dan pelarut yang sama tetapi hanya menambahkan RAFT.”
“Berat molekul mempengaruhi viskositas larutan pemintalan,” kata Skidmore. “Secara tradisional, berat molekul yang lebih tinggi dalam larutan obat bius telah menyebabkan permukaan berlekuk pada serat prekursor. Menambahkan RAFT menurunkan viskositas larutan dope, yang mengarah ke pemuatan padatan yang lebih tinggi. Menghilangkan polimer dengan berat molekul yang sangat tinggi dari polimer dapat menghasilkan keselarasan molekul yang lebih baik dalam serat dan sifat yang lebih baik.” Dia menambahkan bahwa berat molekul rendah memiliki efek plastisisasi pada serat. “RAFT menghasilkan polimer PAN yang dapat menghasilkan serat prekursor yang lebih padat dan lebih seragam dengan cacat struktural yang lebih sedikit. Ini juga dapat membantu mempercepat karbonisasi dan menurunkan biaya.”
“Ini juga memberi kami akses ke arsitektur polimer yang kompleks,” catat Skidmore. “RAFT memungkinkan manipulasi kimia lebih lanjut dari kelompok polimer.” Contoh di mana itu berguna adalah ketika larutan obat bius dimanipulasi untuk menggumpal menjadi serat. “Ada keseimbangan yang halus antara karakteristik ideal dari larutan polimer obat bius dan kondisi koagulasi,” tambahnya. “Polimernya adalah 95% PAN dan 5% aditif. Karena polimer RAFT berperilaku berbeda, kami pikir kami dapat menurunkan beberapa aditif tradisional dan mengubah persentase yang lebih tinggi menjadi serat padat tinggi, yang menghasilkan lebih sedikit cacat. Kami sedang menguji ini sekarang.”
Meskipun saat ini bukan fokus utama, RAFT juga sangat menarik karena kemampuannya untuk menambah fungsionalitas selama polimerisasi. Sebagai contoh, para peneliti telah melihat bagaimana membuat komposit dengan kemampuan adsorpsi tinggi untuk menangkap CO2 (yaitu, CO2 akan menempel pada permukaan molekul komposit). Komposit multifungsi sudah banyak dicari oleh produsen pesawat dan kendaraan listrik. Jenis baru PAN dan serat karbon dengan fungsionalitas tambahan dapat menjadi solusi penting untuk komposit masa depan.
“Dengan RAFT, kami mendapatkan kendali atas polimerisasi,” kata Abbott. “Dengan FLOW, kami memiliki kontrol lebih besar atas pembentukan serat.”
FLOW mengubah polimerisasi menjadi proses berkelanjutan daripada proses batch. Abbott dan Skidmore menjelaskan bahwa reaktor batch yang digunakan saat ini sudah mapan, mudah diatur dan efisien dalam pencampuran dan pemantauan kinetika reaksi, tetapi mereka juga membutuhkan volume yang lebih besar daripada reaktor proses kontinu, yang berarti pengaturan skala industri mahal. Reaktor batch volume yang lebih besar ini juga tidak efisien dalam hal konsumsi ruang dan energi. Reaktor proses berkelanjutan lebih kecil dan lebih murah, mudah untuk diskalakan, lebih hemat energi dan menawarkan kontrol proses yang unggul dan reproduktifitas yang lebih baik dibandingkan pemrosesan batch. Namun, karena mereka adalah saluran yang berdedikasi dan berkelanjutan, mereka kurang fleksibel dalam beralih antara parameter dan produk yang berbeda.
Ada juga manfaat keamanan dan keberlanjutan. “Saat ini, produksi PAN tidak ramah lingkungan, terutama yang berkaitan dengan toksisitas,” kata Skidmore. “Membuat proses polimerisasi terus menerus meningkatkan keamanan, karena agen reaktif yang beracun, berbau, dan mudah terbakar diisolasi dan ditangani oleh peralatan otomatis. Namun, ini akan meningkatkan kompleksitas jalur, yang memang membutuhkan tingkat pemantauan dan kontrol yang lebih tinggi.” Meskipun akan memerlukan pengembangan lebih lanjut, Abbott melihat polimerisasi FLOW sebagai hal yang positif:“Serat karbon pada dasarnya bervariasi, jadi apa pun yang dapat Anda lakukan untuk mengurangi variabilitas ini akan meningkatkan sifat.”
Alat terakhir dalam pendekatan serat karbon CSIRO adalah CarbonSpec. “Ini pada dasarnya metrologi yang kami kembangkan untuk menguji serat yang kami produksi dan lebih memahami hubungan properti-material,” jelas Pierlot. “Jika Anda tidak dapat mengukurnya, Anda tidak dapat meningkatkannya. Kami juga lebih mampu memprediksi sifat serat karbon dari jumlah minimum PAN dan pengukuran serat karbon.”
“Dalam industri serat karbon, adalah standar untuk menggunakan sinar-X sinkrotron yang dihitung
tomography (CT) untuk menentukan mikrostruktur serat Anda,” kata Pierlot. (Sinkronisasi adalah akselerator partikel seukuran lapangan sepak bola yang menghasilkan sinar-X yang sangat terang yang diarahkan ke beamline yang berdekatan untuk pencitraan, dll.) “Dengan bantuan staf beamline di Synchrotron Australia, protokol karakterisasi khusus baru telah telah dikembangkan untuk memindai struktur mikro prekursor PAN individu dan serat karbon. Peta struktur mikro dari serat individu berdiameter 5 mikron dicapai dalam hitungan menit. Sinyal SAXS membantu memahami perkembangan pori dalam serat sementara sinyal WAXS membantu mengidentifikasi parameter struktur mikro penting untuk mengoptimalkan modulus serat. Dengan menggunakan kedua sinyal secara bersamaan, kami dapat memantau dan mengoptimalkan kekuatan dan kekakuan mekanis di sepanjang setiap fase proses produksi mulai dari dope PAN hingga serat karbon.”
Pierlot mencatat bahwa dalam CarbonSpec, tim juga mengembangkan instrumen dan metode pengujian baru. “Misalnya, kami mengukur modulus dan kekuatan transversal di samping sifat aksial serat yang biasanya dilaporkan. Kami pikir kami dapat menggunakan metode baru yang telah kami kembangkan untuk ini juga untuk mengukur kekuatan kompresi aksial.” Yang terakhir telah lama menjadi tantangan karena diameter karbon tunggal atau serat PAN sangat kecil (5–10 m), sehingga sulit untuk menerapkan tegangan tekan aksial yang sebenarnya tanpa menyebabkan tekuk.
“Kami telah meningkatkan pemahaman kami tentang bagaimana mengubah polimer menjadi serat dan sekarang membuat serat komersial,” kata Abbott. “Kami menerapkan alat teknologi ini ke polimer prekursor lain untuk membuat SIROPAN, yang merupakan PAN versi CSIRO menggunakan RAFT. Kami bisa membuat beberapa kilogram serat itu sekarang.”
“Langkah selanjutnya adalah menilai manfaat penggunaan polimer RAFT,” lanjutnya. “Kami masih membuat PAN, tetapi kami lebih mengontrol berat molekul dan meningkatkannya sambil menurunkan viskositas, yang dapat menghasilkan serat karbon yang lebih kuat.” Seberapa kuat? “Kami belum yakin, tapi target kami 20% lebih kuat,” kata Abbott. “Kami tahu bahwa 10% lebih kuat tidak cukup untuk membuat perubahan prekursor layak secara finansial — 20% adalah minimum yang diperlukan menurut industri.”
“Industri serat karbon tumbuh 10% setiap tahun,” kata Abbott. “Kami ingin bermitra dengan pemain industri mapan dan/atau baru yang tertarik untuk meningkatkan kualitas, kinerja, biaya, dan keberlanjutan serat karbon.”
“Kami sedang menguji enam formulasi prekursor yang berbeda dan akan mengkarbonisasi ini di Carbon Nexus,” tambah Skidmore. “Kami berharap akhir tahun ini sudah ada hasil. Dibutuhkan beberapa saat untuk beralih dari polimer RAFT ke serat putih dan kemudian melalui karbonisasi.”
Abbott menambahkan, “Kami menginginkan hasil yang kuat pada akhir tahun, tetapi kami melakukannya untuk jangka panjang.”
Penelitian ini didukung oleh Science and Industry Endowment Fund.
serat
Apakah serat karbon konduktif? Ya, ini sangat konduktif dalam beberapa hal jika dibuat dengan benar. Mari selami subjek lebih dalam untuk memeriksa sifat dan potensi polimer menakjubkan ini. TERKAIT:Apa itu Serat Karbon Ditempa? Panduan Utama untuk Komposit Tempa Dalam Artikel Ini: Apa itu Se
PEMBARUAN PENTING: Sumpit ini telah dihentikan dan tidak lagi dijual. Anda dapat berbelanja di toko kami untuk produk rumah serat karbon lainnya. Salah satu produk terbaru untuk jajaran toko kami adalah sumpit serat karbon padat. Ada beberapa detail penting tentang sumpit baru ini yang benar-benar
Serat karbon lebih kuat dari baja, lebih ringan dari fiberglass, dan lebih kaku dari aluminium. Tapi apakah itu tahan lama? Banyak faktor yang menambah daya tahan material. Berikut ini adalah seberapa baik serat karbon bertahan dari keausan seiring waktu. TERKAIT :Apa itu Serat Karbon? Dalam artik
Baik fiberglass dan serat karbon adalah bahan penguat yang sudah mapan. Keduanya identik dengan kekuatan tarik yang sangat tinggi dalam dunia komposit tetapi secara historis digunakan untuk aplikasi yang sangat berbeda dan memiliki reputasi yang berbeda. Fiberglass telah lama dianggap sebagai bahan
