ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Изпитване на стабилизирани полиакрилонитрилни (PAN) влакна при пожар
В бъдеще анализаторът на кислородния индекс NETZSCH TAURUS LOI 901 ще се използва в Carbon LabFactory Saxony за анализ на термично стабилизирани PAN влакна - известни още като Preox влакна - и за изследване на устойчиви алтернативи, като например прекурсори на основата на целулоза или лигнин."
Това е история за успеха на клиента, написана от д-р Клаудия Фогт, научен сътрудник в Техническия университет в Кемниц в катедра "Леки конструкции и полимерни технологии" в изследователската област на въглеродните влакна и технологиите за обработка. Тя докладва за изследвания на бъдещите приложения на влакната Preox с помощта на анализатора на кислородния индекс NETZSCH TAURUS LOI 901. Изследването на влакната Preox се превръща в неразделна част от мониторинга на процесите в изследователския център, който в момента се създава в Боксберг, известен като Carbon LabFactory Saxony. В успешно сътрудничество с лабораторията за приложение на NETZSCH TAURUS е разработен нов държач за проби от влакна.
“NETZSCH предлага отлично обслужване на клиентите. При търсенето на подходящ държач за проби за инструмента за определяне на граничния кислороден индекс LOI 901, забелязах, че аксесоарите не включват държач за проби от влакна. След моето запитване незабавно получих първоначални идеи от NETZSCH за разработване на персонализиран държач за проби, базиран на нашия материал от влакна Preox.”
За Технологичния университет в Кемниц
Технологичният университет в Кемниц (фигура 1) е космополитен университет със силни регионални, национални и международни мрежи. Той е дом на около 2300 академични и административни служители, както и на повече от 8600 студенти от около 90 държави. По този начин той е третият по големина университет в Саксония (към 2024 г.).
По отношение на дела на чуждестранните студенти Техническият университет в Кемниц заема челна позиция сред държавните университети в страната. Кемниц, Европейска столица на културата през 2025 г., се нарежда сред десетте най-добри по-големи градове за живеене в Германия, според скорошно проучване, и се гордее с изключително качество на живот. large Градът се отличава и с особено висок дял на висококвалифицирани служители, което се дължи отчасти на присъствието на университета. Техническият университет в Кемниц е интелектуалното сърце на града и се е превърнал в международно забележимо място за научни изследвания на бъдещите процеси на създаване на стойност и устойчиво развитие.
За Carbon LabFactory Саксония
"Carbon LabFactory Saxony" (CLFS) в Боксберг, Горна Лужица, Германия, е ключов проект, посветен на научните изследвания и разработването на въглеродни влакна в мащаб на пилотна линия. Новото изследователско съоръжение се фокусира върху използването на устойчиви алтернативи на петрохимичните прекурсори, като полиакрилонитрил, например с помощта на целулоза или лигнин. Въглеродните влакна се произвеждат в многоетапен термичен процес. CLFS разглежда и цялата верига на стойността - от суровината до готовите компоненти - и поставя специален акцент върху устойчивостта на процесите.
Централно място в изследванията на CLFS заема производството на въглеродни влакна и тяхната обработка, например с помощта на текстилни машини, които също ще бъдат на разположение на място. Стабилизирането и последващата карбонизация на прекурсори като полиакрилонитрил, целулоза или лигнин се извършва в пилотна карбонизационна инсталация. Тази инсталация се използва за извършване на основните етапи на процеса за производство на висококачествени въглеродни влакна. Прекурсорът първо се обработва термично в специални пещи за стабилизиране при температури между 150°C и 300°C. След това карбонизацията се извършва в защитна газова атмосфера на два етапа: в нискотемпературна пещ при температура до 1200°C и след това във високотемпературна пещ при температура до 2200°C. Чрез прецизна настройка на параметрите на процеса могат да се контролират и оптимизират свойствата на производството на въглеродни влакна.
Рециклиране и рециклиране
Друга перспективна област на изследване е разработването на рециклируеми материали и продукти, включително стратегии за рециклиране и рециклиране, за да се повиши ефективността на ресурсите и да се сведе до минимум въздействието върху околната среда. Целта е да се създадат затворени материални цикли, включително възстановяване на материали от производствени отпадъци.
CLFS, който ще бъде създаден като филиал на Техническия университет в Кемниц в Горна Лужица (фигура 3), ще има значителен принос за устойчивата трансформация на регион, който е сериозно засегнат от структурните промени, предизвикани от постепенното спиране на използването на въглища. Сътрудничеството с Института за приложни изследвания на полимери на Фраунхофер(FraunhoferIAP) и Бранденбургския технологичен университет Котбус-Зенфтенберг (BTU) ще създаде ефективна изследователска инфраструктура, която ще позволи разработването на иновативни леки продукти от нови видове въглеродни влакна. Основният фокус на IAP в това начинание е върху производството на устойчиви прекурсори, напр. от целулоза, и тяхното преобразуване в лабораторен мащаб.
Специален фокус на изследванията в Боксберг ще бъде промишлената мащабируемост на технологиите. Мащабът на пилотната инсталация ще улесни прехвърлянето на разработените процеси и материали към промишлени приложения. Това изисква тясно сътрудничество между изследователските институции и индустриалните партньори, за да се гарантира, че разработените решения са икономически жизнеспособни и устойчиви.
С описаните подходи и възможности "Carbon LabFactory Saxony" поема водеща роля в европейското развитие на устойчиви въглеродни влакна. Благодарение на своя холистичен подход, който включва цялата верига на стойността и е насочен към екологични иновации, CLFS допринася за бъдещето, в което въглеродните влакна са не само високопроизводителни, но и екологични. По този начин тя има важен принос към европейските цели в областта на климата и неутралното за парниковите газове бъдеще.
Клаудия, моля, представете себе си и областта си на изследване и приложение.
Казвам се Клаудия Фогт. Имам докторска степен по химия и от август 2023 г. работя като научен сътрудник в катедра " Леки конструкции и обработка на полимери " (SLK) в Техническия университет в Кемниц, по-специално в областта на изследванията на въглеродните влакна и технологиите за обработка.
Понастоящем участвам в планирането на лабораторията на Carbon LabFactory Saxony и по-късно ще отговарям предимно за въпроси, свързани с химическия анализ на въглеродни влакна, техните междинни етапи (Preox fibers) или крайни продукти (напр. композити, текстилни тъкани). Широката гама от аналитично оборудване, с което разполагаме, варира от изпитване на огнеустойчивост с помощта на LOI до термичен анализ (напр. STA, TMA) и определяне на повърхностни свойства с помощта на тензиометрия. Нашият екип работи в тясно сътрудничество, а също и ръка за ръка.
Откога е сътрудничеството с NETZSCH?
Професорската катедра SLK работи с NETZSCH от много години. Те редовно използват уреди за термичен анализ (TGA, DSC) за решаване на проблеми в областта на полимерите.
Защо избрахте NETZSCH? Имате ли опит с нашата поддръжка и обслужване на клиенти?
Наред с разнообразието от инструменти NETZSCH предлага и отлично обслужване на клиентите. При търсенето на подходящ държач за проби за инструмента за определяне на граничния кислороден индекс забелязах, че аксесоарите не включват държач за проби от влакна. След първоначалното ми запитване незабавно получих предложение за разработване на персонализиран държач за проби въз основа на материала на пробата. За много кратко време получих първоначалните идеи за този държач за проби от лабораторията за разработка на NETZSCH.
Персонализиран държач за проби за NETZSCH LOI 901
Стефан Щрикман, директор "Продажби и решения за приложения" за противопожарни изпитвания в NETZSCH, съобщава:
"Като експерт в областта на противопожарните изпитвания и уредите за топлопроводимост, NETZSCH TAURUS е специализиран в производството на високопрецизни уреди. Това включва и LOI 901, който се използва за оценка на поведението на материалите при горене чрез определяне на кислородния индекс (LOI = limiting oxygen index) в съответствие с ISO 4589-2 и ASTM D 2863. Техническият университет в Кемниц се обърна към нас с молба да можем да извършваме специфични изпитвания на поведението при пожар на влакна Preox (фигура 5), специален материал. За да се съобразим с уникалните характеристики на този образец, ние разработихме и използвахме специален държач за образци за тестовете. Целта беше да се документират методологията, настройката и резултатите от тези изпитвания, които предоставят ценни данни за поведението при пожар на влакната Preox при стайна температура."
Влакната Preox представляват особено предизвикателство при изпитването на поведението при пожар поради фината си нишковидна природа. За да се гарантира целостта на образеца по време на изпитването, внимателно е проектиран и изработен специален държач за образеца.
Този персонализиран държач за образци осигурява сигурно захващане на влакната Preox, което позволява прецизни и надеждни измервания на поведението им при пожар за успешно провеждане на изпитването.
Резултати
По време на изпитването температурата на околната среда беше внимателно контролирана и поддържана на 23 ± 2°C, за да се осигурят оптимални условия на изпитване. Обикновено първоначалната концентрация на кислород за теста се избира въз основа на нашия богат опит с подобни материали. Тъй като по това време имахме малко опит с влакната Preox, направихме справка в съответната литература и установихме, че този материал има забележително висок LOI, често надвишаващ 45 %.
За да бъдем сигурни, започнахме тестовете с концентрация на кислород от 40 %. При това ниво не беше наблюдавано запалване на влакната Preox. След това постепенно увеличихме концентрацията на кислород, като внимателно наблюдавахме всяка стъпка. Между 40 % и 45 % кислород нямаше видими пламъци, но пробата показа признаци на термична деградация: разтопи се и след това изчезна, което показва значително преобразуване без горене.
Първото устойчиво горене се наблюдава при концентрация на кислорода от около 60 %. При това ниво влакното Preox се запали и изгоря равномерно, което потвърждава по-високата му потребност от кислород за запалване в сравнение с други конвенционални материали. В момента се провеждат допълнителни тестове за определяне на крайния кислороден индекс. Този първоначален резултат е в съответствие с отчетеното предимство на високата стойност на LOI, която подчертава устойчивостта на горене в среда с ниско съдържание на кислород.
Клаудия, моля, разкажете ни повече за конкретното си приложение. Как резултатите ще ви помогнат да подобрите изследванията, контрола на качеството, развойната дейност и производството?
Както вече беше споменато, производството на въглеродни влакна е многоетапен термичен процес. Първият етап, при който материалът прекурсор се стабилизира термично, е особено важен за полиакрилонитрила. Без тази предварителна обработка влакната от полиакрилонитрил биха били склонни към деградация при високо термично натоварване. Поради това сложната структурна трансформация на влакната от ПАН във влакна от Преокс е предпоставка за производството на въглеродни влакна от ПАН. Този процес на термична стабилизация може да се контролира от няколко влияещи фактора (напр. скорост на нагряване, температурен профил). LOI (фигура 7) се използва за проверка на степента на стабилизация на влакната Preox. Колкото по-висок е LOI на изследваните влакна Preox, толкова по-обещаващи са използваните параметри на процеса. Този подход позволява бързо коригиране на параметрите на процеса по време на текущите изследователски кампании. Той служи и за постоянен контрол на качеството на междинния етап на въглеродните влакна.
Скъпа Клаудия, много ви благодаря за прозренията ви за това новаторско изследване. С нетърпение очакваме скоро да чуем повече новини и резултати от изследванията на Carbon LabFactory Saxony.
За сайта NETZSCH LOI 901
Пластмасите имат специфични предимства пред други материали, като метали, керамика или естествени материали, особено в автомобилната, космическата, електронната и строителната промишленост, тъй като са по-леки, по-гъвкави, по-устойчиви на корозия и, в зависимост от изискванията, електропроводими или изолационни, а често и по-икономични.
Пожарното поведение на използваните полимери играе важна роля при оценката на безопасността и приложимостта на компонентите и възлите. Ако пластмасов компонент се възпламени, отделянето на до голяма степен токсични газове по време на горенето и бързото разпространение на пожара могат бързо да доведат до опасни, животозастрашаващи ситуации за хората и околната среда.
LOI 901 е изключително прецизен инструмент за определяне на поведението при горене на полимери в съответствие с признатите стандарти ISO 4589-2 и ASTM D2863. Инструментът е оборудван със специална горивна камера и използва контролирана кислородна атмосфера за определяне на кислородния индекс, запалимостта на пластмасите, времето за горене и разстоянието на горене.
