Sürekli akrilik lif esaslı karbon lif üretimi ve proses parametrelerinin optimize edilmesi
Continuous acrylic fiber based carbon fiber production and optimization of process parameters
Yazar: KEMAL ŞAHİN TUNÇEL
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KARACAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Etilendiamin = Ethylenediamine ; Guanidinler = Guanidines ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Karbonatlar = Carbonates ; Poliakrilonitril = Polyacrylonitrile ; Termal kararlılık = Thermal stabilization

Özet:
Üstün mekanik özellikler sergilemesi nedeniyle, karbon lif üretiminde kullanılan en önemli öncü madde poliakrilonitril (PAN) lifleridir. Fakat yüksek üretim maliyetleri bu liflerden elde edilen karbon liflerin kullanımını kısıtlamış durumdadır. Özellikle termal stabilizasyon zaman gerektiren bir aşama olduğu için yüksek enerji sarfiyatları meydana gelmektedir. Bir çok bağımsız değişken içeren bu aşama optimizasyon çalışmaları için en uygun aşama olarak bilinmektedir. Bu deneysel çalışmada, çeşitli yöntemlerle PAN liflerinin stabilizasyonu için gerekli olan sürenin azaltılması amaçlanmış ve kullanılan proses parametrelerinin üretim sürecine etkileri incelenmiştir. Bu nedenle, PAN lifleri önce farklı konsantrasyona sahip guanidin karbonat ve etilendiamin sulu çözeltileri kullanılarak ön kimyasal işlemlerden geçirilmiş ve ardından tek adımlı ve çok adımlı olmak üzere iki farklı ısıl işlem yöntemiyle hava ortamında stabilize edilmiştir. Daha sonra çok adımlı ısıl işlemlerle stabilize edilen PAN lifleri azot ortamında 1100 °C'ye kadar karbonize edilmiştir. Kullanılan deneysel proses parametreleri; çözeltinin türü, çözelti konsantrasyonu, ısıtma hızı, ısıl işlem türü ve sıcaklık, stabilizasyon süresi ve karbonizasyon sıcaklığından oluşmaktadır. Süreç içerisinde PAN öncü liflerinin renk ve yanma davranışında, iplik numarasında, lif kalınlığında, lif yoğunluğunda ve mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimler izlenmiş ve ayrıca DSC, TGA, FT-IR, XRD gibi teknikler kullanılarak yapısal dönüşümler incelenmiştir.

Abstract:
Due to its superior mechanical properties, the most important precursor used in carbon fiber production is polyacrylonitrile (PAN) fibers. However, high production costs have limited the use of carbon fibers obtained from these fibers. Especially since thermal stabilization is a time-requiring stage, high energy consumption occurs. This stage, which includes many independent variables, is known as the most suitable stage for optimization studies. This experimental study, it was aimed to reduce the time required for the stabilization of PAN fibers by various methods and the effects of the used process parameters on the production period were investigated. For this reason, PAN fibers were first pre-treated using guanidine carbonate and ethylenediamine aqueous solutions with different concentrations and then stabilized in the air medium with two different heat treatment methods, single-step and multi-step. Then, PAN fibers stabilized by multi-step heat treatments were carbonized up to 1100 °C in a nitrogen environment. The type of solution, solution concentration, heating rate, type of heat treatment and temperature, stabilization time, and carbonization temperature were the experimental process parameters used in this study. During the whole process, the changes in the color and burning behavior, linear density, fiber thickness, fiber volume density, and mechanical properties of the PAN precursor fibers were observed, and also structural transformations were investigated using techniques such as DSC, TGA, FT-IR, XRD.