Kunde-succeshistorie
Brandtest af stabiliserede polyakrylnitrilfibre (PAN)
I fremtiden vil NETZSCH TAURUS LOI 901 oxygen index analyzer blive brugt på Carbon LabFactory Saxony til at analysere termisk stabiliserede PAN-fibre - også kendt som Preox-fibre - og til at forske i bæredygtige alternativer som cellulose- eller ligninbaserede udgangsstoffer."
Dette er en kundesucceshistorie af Dr. Claudia Vogt, forskningsmedarbejder ved det tekniske universitet i Chemnitz på afdelingen for letvægtsstrukturer og polymerteknologi inden for forskningsområdet kulfiber og forarbejdningsteknologier. Hun rapporterer om undersøgelser af fremtidige anvendelser af Preox-fibre ved hjælp afNETZSCH TAURUS LOI 901 oxygenindeksanalysator. Undersøgelsen af Preox-fibre er ved at blive en integreret del af procesovervågningen på det forskningscenter, der i øjeblikket er ved at blive oprettet i Boxberg, kendt som Carbon LabFactory Saxony. En ny prøveholder til fiberprøver blev udviklet i et vellykket samarbejde med NETZSCH TAURUS applikationslaboratorium.
“NETZSCH tilbyder fremragende kundeservice. I min søgen efter en passende prøveholder til det begrænsende iltindeksinstrument LOI 901 bemærkede jeg, at tilbehøret ikke omfattede en fiberprøveholder. Efter min forespørgsel modtog jeg straks de første ideer fra NETZSCH om at udvikle en tilpasset prøveholder baseret på vores Preox-fibermateriale.”
Om det teknologiske universitet i Chemnitz
Chemnitz University of Technology (figur 1) er et kosmopolitisk universitet med stærke regionale, nationale og internationale netværk. Det er hjemsted for ca. 2.300 akademiske og administrative medarbejdere samt mere end 8.600 studerende fra ca. 90 lande. Det er dermed det tredjestørste universitet i Sachsen (fra 2024).
Med hensyn til andelen af udenlandske studerende indtager Chemnitz University of Technology en topplacering blandt de statslige universiteter i hele landet. Chemnitz, der er europæisk kulturhovedstad i 2025, er ifølge en nylig undersøgelse blandt Tysklands ti bedste større byer at bo i og kan prale af en enestående livskvalitet. Byen har også en bemærkelsesværdig høj andel af højt kvalificerede medarbejdere, hvilket til large dels skyldes universitetets tilstedeværelse. Chemnitz University of Technology er byens intellektuelle hjerte og har udviklet sig til et internationalt synligt forskningssted for fremtidige værdiskabelsesprocesser og bæredygtig udvikling.
Om Carbon LabFactory Saxony
"Carbon LabFactory Saxony" (CLFS) i Boxberg, Oberlausitz, Tyskland, er et nøgleprojekt, der er dedikeret til forskning og udvikling af kulfibre i pilotskala. Det nye forskningsanlæg fokuserer på brugen af bæredygtige alternativer til petrokemiske forstadier, som f.eks. polyacrylonitril, ved hjælp af f.eks. cellulose eller lignin. Kulstoffibrene produceres i en termisk proces i flere trin. CLFS tager også højde for hele værdikæden - fra råmateriale til færdige komponenter - og lægger særlig vægt på processernes bæredygtighed.
I centrum for CLFS' forskning står fremstillingen af kulfibre og forarbejdningen af dem, for eksempel ved hjælp af tekstilmaskiner, som også vil være tilgængelige på stedet. Stabiliseringen og den efterfølgende karbonisering af forstadier som polyacrylonitril, cellulose eller lignin udføres i et karboniseringsanlæg i pilotskala. Dette anlæg bruges til at udføre de væsentlige procestrin til produktion af kulfibre af høj kvalitet. Forstadiet behandles først termisk i særlige stabiliseringsovne ved temperaturer mellem 150 °C og 300 °C. Karboniseringen foregår derefter i en beskyttende gasatmosfære i to trin: i en lavtemperaturovn ved op til 1200 °C og derefter i en højtemperaturovn ved op til 2200 °C. Ved at finjustere procesparametrene kan egenskaberne ved fremstilling af kulfibre kontrolleres og optimeres.
Genbrug og upcycling
Et andet fremadrettet forskningsområde er udviklingen af genanvendelige materialer og produkter, herunder genanvendelses- og upcycling-strategier for at øge ressourceeffektiviteten og minimere miljøpåvirkningen. Målet er at skabe lukkede materialekredsløb, herunder genvinding af materialer fra produktionsaffald.
CLFS, der vil blive etableret som en afdeling af Chemnitz University of Technology i Oberlausitz (figur 3), vil yde et væsentligt bidrag til den bæredygtige omstilling af en region, der er blevet hårdt ramt af de strukturelle ændringer, som udfasningen af kul har medført. Samarbejdet med Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research(Fraunhofer IAP) og Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg (BTU) vil skabe en effektiv forskningsinfrastruktur, der gør det muligt at udvikle innovative letvægtsprodukter af nye typer kulfibre. IAP's hovedfokus i denne bestræbelse er på produktion af bæredygtige forstadier, f.eks. fra cellulose, og deres konvertering i laboratorieskala.
Det særlige fokus for forskningen i Boxberg vil være teknologiernes industrielle skalerbarhed. Pilotanlægsskalaen vil gøre det lettere at overføre de udviklede processer og materialer til industrielle anvendelser. Dette kræver et tæt samarbejde mellem forskningsinstitutionerne og de industrielle partnere for at sikre, at de udviklede løsninger er både økonomisk levedygtige og bæredygtige.
Med de beskrevne tilgange og muligheder påtager "Carbon LabFactory Saxony" sig en ledende rolle i den europæiske udvikling af bæredygtige kulfibre. Takket være sin holistiske tilgang, som omfatter hele værdikæden og er rettet mod økologisk innovation, bidrager CLFS til en fremtid, hvor kulfibre ikke kun er højtydende, men også miljøvenlige. Det giver dermed et vigtigt bidrag til de europæiske klimamål og en drivhusgasneutral fremtid.
Claudia, præsenter venligst dig selv og dit forsknings- og anvendelsesområde.
Mit navn er Claudia Vogt. Jeg har en doktorgrad i kemi og har arbejdet som forskningsassistent på Institut for Letvægtsstrukturer og Polymerbehandling (SLK) ved Chemnitz University of Technology siden august 2023, specifikt inden for forskningsområdet kulfibre og forarbejdningsteknologier.
Jeg er i øjeblikket involveret i laboratorieplanlægningen af Carbon LabFactory Saxony og vil senere være primært ansvarlig for spørgsmål om kemisk analyse af kulfibre, deres mellemstadier (Preox-fibre) eller slutprodukter (f.eks. kompositter, tekstilstoffer). Den brede vifte af analyseudstyr, vi har til rådighed, spænder fra test af flammehæmning ved hjælp af LOI til termisk analyse (f.eks. STA, TMA) og bestemmelse af overfladeegenskaber ved hjælp af tensiometri. Vores team arbejder tæt sammen og også hånd i hånd.
Hvor længe har samarbejdet med NETZSCH stået på?
SLK-professoratet har arbejdet med NETZSCH i mange år. De bruger rutinemæssigt termiske analyseinstrumenter (TGA, DSC) til at løse problemer inden for polymerområdet.
Hvorfor valgte du NETZSCH? Har du også oplevet vores kundesupport og service?
Sammen med et stort udvalg af instrumenter tilbyder NETZSCH også fremragende kundeservice. I min søgen efter en passende prøveholder til det begrænsende iltindeksinstrument bemærkede jeg, at tilbehøret ikke omfattede en fiberprøveholder. Efter min første henvendelse fik jeg straks et tilbud om at udvikle en skræddersyet prøveholder baseret på prøvematerialet. Inden for meget kort tid modtog jeg de første ideer til denne prøveholder fra udviklingslaboratoriet NETZSCH.
Den skræddersyede prøveholder til NETZSCH LOI 901
Stephan Strickmann, Sales and Application Solutions for Fire Testing på NETZSCH, rapporterer:
"Som ekspert i instrumenter til brandprøvning og Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne har NETZSCH TAURUS specialiseret sig i fremstilling af højpræcisionsinstrumenter. Dette omfatter LOI 901, som bruges til at vurdere materialers brændingsadfærd ved at bestemme iltindekset (LOI = limiting oxygen index) i overensstemmelse med ISO 4589-2 og ASTM D 2863. Chemnitz University of Technology henvendte sig til os med en anmodning om at kunne udføre specifikke test af brandadfærd på Preox-fibre (figur 5), et særligt materiale. For at imødekomme de unikke egenskaber ved denne prøve udviklede og brugte vi en særlig prøveholder til testene. Målet var at dokumentere metodologien, opsætningen og resultaterne af disse tests, som giver værdifulde data om Preox-fibrenes brandadfærd ved stuetemperatur."
Preox-fibre udgør en særlig udfordring i test af brandadfærd på grund af deres fine, trådformede natur. For at sikre prøvens integritet under testen blev en særlig prøveholder omhyggeligt designet og fremstillet.
Denne tilpassede prøveholder giver et sikkert greb om Preox-fibrene, hvilket muliggør præcise og pålidelige målinger af deres brandadfærd og dermed en vellykket test.
Resultater
Under testen blev omgivelsestemperaturen nøje kontrolleret og holdt på 23 ± 2 °C for at sikre optimale testbetingelser. Normalt vælges den indledende iltkoncentration til testen ud fra vores omfattende erfaring med lignende materialer. Da vi ikke havde megen erfaring med Preox-fibre på det tidspunkt, konsulterede vi den relevante litteratur og fandt ud af, at dette materiale har en bemærkelsesværdig høj LOI, ofte over 45 %.
For at være på den sikre side startede vi testene med en iltkoncentration på 40 %. Der blev ikke observeret nogen antændelse af Preox-fibrene på dette niveau. Derefter øgede vi gradvist iltkoncentrationen og overvågede nøje hvert trin. Mellem 40 og 45 % ilt var der ingen synlige flammer, men prøven viste tegn på termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning: Den smeltede og forsvandt derefter, hvilket tyder på en betydelig omdannelse uden forbrænding.
Den første vedvarende forbrænding opstod ved en iltkoncentration på omkring 60 %. På dette niveau blev Preox-fiberen antændt og brændte ensartet, hvilket bekræfter dens højere iltbehov for antændelse sammenlignet med andre konventionelle materialer. Yderligere tests er ved at blive udført for at bestemme det endelige iltindeks. Dette første resultat er i overensstemmelse med den rapporterede fordel ved en høj LOI-værdi, som fremhæver modstandsdygtigheden over for forbrænding i miljøer med lavt iltindhold.
Claudia, fortæl os mere om din specifikke anvendelse. Hvordan vil resultaterne hjælpe dig med at forbedre din forskning, kvalitetskontrol, udvikling og produktion?
Som allerede nævnt er produktionen af kulfiber en termisk proces i flere trin. Det første trin, hvor udgangsmaterialet stabiliseres termisk, er især afgørende for polyacrylonitril. Uden denne forbehandling ville polyakrylnitrilfibre være tilbøjelige til at blive nedbrudt under høj termisk StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress. Den komplekse strukturelle omdannelse af PAN-fibre til Preox-fibre er derfor en forudsætning for produktionen af kulstoffibre fra PAN. Denne termiske stabiliseringsproces kan styres af flere indflydelsesrige faktorer (f.eks. opvarmningshastighed, temperaturprofil). LOI (figur 7) bruges til at kontrollere graden af stabilisering af Preox-fibrene. Jo højere LOI for de undersøgte Preox-fibre er, jo mere lovende er de anvendte procesparametre. Denne tilgang giver mulighed for hurtig justering af procesparametrene under igangværende forskningskampagner. Den fungerer også som en konstant kvalitetskontrol af kulfiberens mellemstadium.
Kære Claudia, mange tak for din indsigt i denne banebrydende forskning. Vi ser frem til snart at høre flere nyheder og forskningsresultater fra Carbon LabFactory Saxony.
Om NETZSCH LOI 901
Plast har specifikke fordele i forhold til andre materialer som metaller, keramik eller naturmaterialer, især inden for bil-, rumfarts-, elektronik- og byggeindustrien, fordi de er lettere, mere alsidige, mere korrosionsbestandige og, afhængigt af kravene, enten elektrisk ledende eller isolerende og ofte mere omkostningseffektive.
De anvendte polymerers brandadfærd spiller en vigtig rolle i vurderingen af komponenters og samlingers sikkerhed og anvendelighed. Hvis en plastkomponent antændes, kan frigivelsen af meget giftige gasser under forbrændingen og den hurtige spredning af ilden hurtigt føre til farlige, livstruende situationer for mennesker og miljø.
LOI 901 er et meget præcist instrument til bestemmelse af polymerers forbrændingsadfærd i overensstemmelse med de anerkendte standarder ISO 4589-2 og ASTM D2863. Instrumentet er udstyret med et særligt forbrændingskammer og bruger en kontrolleret iltatmosfære til at bestemme iltindekset, plastens brændbarhed, brændetid og brændeafstand.
