Multi-Physics Modelling towards the Stabilization of PAN Fibers with Microwaves Based on Experimental Data

Kohlenstofffasern haben gute Eigenschaften für Leichtbauanwendungen, aber
ihre Produktionskosten sind immer noch recht hoch, unter anderem wegen
des hohen Energiebedarfs und der Materialkosten. Rund 76% bis 88% der
Gesamtkosten sind die Kosten der verkauftenWare, von denen der Energiebedarf
etwa 34%ausmacht [1] . Eine Möglichkeit, den Energiebedarf zu senken,
könnte die Verwendung von Mikrowellen anstelle der herkömmlichen konvektiven
Heizung bei der Produktion sein. Ausserdem kann sich die Verwendung
von Mikrowellenerwärmung positiv auf die finale Qualität der Kohlenstofffasern
... mehr
auswirken.
In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf dem ersten Erwärmungsschritt, der
Stabilisierung. Erste Schritte in Richtung einer mikrowellenunterstützten Stabilisierung
werden diskutiert.
Zum ersten Mal wurden vollständige in-situ dielektrische Messungen durchgeführt,
die die Grundlage für das Verständnis der Herausforderungen bei der
dielektrischen Erwärmung bilden. Ein mathematisches Modell, das die Reaktionskinetik
mit dem dielektrischen Verlust kombiniert, wird vorgeschlagen.
Es erlaubt den dielektrischen Verlust mit dem Stabilisierungsgrad und der
Temperatur der Fasern zu verknüpfen. Ein multiphysikalisches Modell der
Stabilisierung, das die Mikrowellenerwärmung beinhaltet, wird aufgestellt,
um den Einfluss von Prozessparametern wie Lufttemperatur, Fasertransportgeschwindigkeit
und Mikrowellenleistung auf die Faser im Vorfeld zu untersuchen.
Die experimentellen Ergebnisse werden mit dem Modell verglichen
und ausgewertet. Schließlich ermöglicht die Erweiterung eines Streumatrix-
Codes eine einfachere Entwurfsoption für zukünftige maßgeschneiderte Applikatoren.

Carbon fibers have good lightweight applications properties, but their production
costs are still rather high, among other things, due to the high energy
demand and material costs. Around 76% to 88% of the total costs are the
cost of good sold of which the energy demand is around 34% [1]. One option
to decrease the energy demand, could be using microwave heating instead of
conventional convective heating during the production. Also, the usage of
microwave heating can have a beneficial effect on the final carbon fiber quality.
In this work, the focus is on the first heating step, the stabilization. ... mehrFirst steps
towards a microwave assisted stabilization are discussed.
For the first time, full in-situ dielectric measurements are performed, providing
the basis for understanding the challenges encountered with dielectric
heating. A mathematical model which combines the reaction kinetics with the
dielectric loss is proposed, which allows to connect the dielectric loss to the
stabilization degree and temperatures of the fibers. A multi-physics model of
the stabilization which contains microwave heating is set up to investigate the
influence of process parameters such as air temperature, fiber transportation
speed and microwave power on the fiber beforehand. Experimental results are
compared to the model and are analyzed. Finally, the extension of a scattering
matrix code allows to setup a simpler design option for future custom made
applicators.