Serat karbon berbahan dasar Poliakrilonitril (PAN) merupakan material berperforma tinggi yang banyak digunakan di bidang dirgantara, konstruksi, olah raga, otomotif, dan medis. Artikel ini mengulas sejarah perkembangan dan status terkini serat karbon berbasis PAN di dalam negeri dan internasional, persiapan, struktur, sifat, dan aplikasinya. Bab ini juga membahas standar dan metode pengujian yang relevan serta menawarkan pandangan masa depan.

Pengantar Serat Karbon Berbasis PAN

Serat karbon adalah material canggih yang dikenal karena sifat mekaniknya yang unggul. Ini menggabungkan karakteristik yang melekat pada karbon dengan fleksibilitas dan kemampuan proses serat tekstil, menjadikannya serat penguat yang penting. Dengan berat jenis kurang dari seperempat baja dan kekuatan tarik umumnya melebihi 3500 MPa, komposit serat karbon menawarkan kekuatan 7-9 kali lipat baja dan modulus elastisitas berkisar antara 23.000 MPa hingga 43.000 MPa. Sifat-sifat ini menjadikan serat karbon sebagai material yang menjanjikan dalam aplikasi teknik.

Serat karbon berbasis PAN, yang berasal dari poliakrilonitril, aspal, atau viscose, mengalami proses seperti pra-oksidasi, karbonisasi, dan grafitisasi, sehingga menghasilkan serat dengan kandungan karbon lebih dari 90%. Serat-serat ini menunjukkan kekuatan tinggi, modulus tinggi, kepadatan rendah, ketahanan suhu tinggi, ketahanan korosi, ketahanan gesekan, konduktivitas, dan ekspansi termal rendah, di antara sifat-sifat lainnya. Serat karbon berbasis PAN adalah yang paling banyak digunakan, mencakup lebih dari 90% produksi karena proses pembuatannya yang sederhana dan kinerja komprehensif yang sangat baik.

1. Status Pengembangan Serat Karbon Berbasis PAN

1.1 Pembangunan Internasional

Pengembangan serat karbon berbasis PAN dimulai pada tahun 1959 ketika Akio Shindo dari Jepang mematenkan proses produksi serat karbon berkinerja tinggi dari poliakrilonitril. Saat ini, produksi serat karbon berbasis PAN didominasi oleh serat derek besar dari Amerika Serikat dan serat derek kecil dari Jepang, yang mencakup sekitar 80% pasokan global. Produsen besar seperti Toray, Toho, dan Mitsubishi di Jepang memimpin pasar, dengan Toray menjadi produsen serat karbon berbasis PAN terbesar di dunia.

1.2 Pembangunan Dalam Negeri

Tiongkok mulai meneliti serat karbon pada tahun 1960an, dan mencapai kemajuan yang lambat namun stabil. Meskipun pengembangan produk mendekati level T-300 Toray, kapasitas produksi dalam negeri masih terbatas. Dalam beberapa tahun terakhir, perusahaan seperti Anhui Huawan Carbon Fiber telah memulai produksi industri, namun sebagian besar permintaan serat karbon Tiongkok dipenuhi melalui impor, sehingga secara signifikan menghambat industri terkait.

2. Persiapan, Struktur, dan Kinerja Serat Karbon Berbasis PAN

2.1 Proses Persiapan

Serat karbon berbahan dasar PAN terbuat dari serat poliakrilonitril, baik homopolimer maupun kopolimer, melalui proses yang melibatkan polimerisasi, pemintalan, pra-oksidasi, karbonisasi, dan grafitisasi. Produksinya melibatkan pengubahan resin poliakrilonitril menjadi serat, yang kemudian diolah untuk meningkatkan kinerja dan stabilitasnya.

2.2 Struktur

Fitur serat karbon a"berantakan"struktur mikrokristal grafit yang bertumpuk di sepanjang sumbu serat, mempengaruhi kinerjanya. Jarak antar lapisan dan adanya rongga mempengaruhi sifat serat.

2.3 Karakteristik Kinerja

Serat karbon memiliki sifat unik seperti kekuatan tarik tinggi, modulus tinggi, kepadatan rendah, tahan suhu tinggi, dan tahan korosi. Mereka juga menunjukkan ketahanan lelah yang sangat baik, ekspansi termal yang rendah, konduktivitas yang baik, dan biokompatibilitas.

3. Aplikasi Serat Karbon Berbasis PAN

3.1 Ruang Angkasa

Karena rasio kekuatan terhadap berat dan kekakuannya yang tinggi, komposit serat karbon berbasis PAN sangat penting dalam aplikasi luar angkasa, termasuk rudal, roket, satelit, dan pesawat terbang.

3.2 Peralatan Olahraga dan Medis

Komposit serat karbon banyak digunakan dalam peralatan olahraga seperti tongkat golf, raket tenis, dan sepeda, serta implan dan perangkat medis.

3.3 Industri Umum

Dalam industri otomotif, serat karbon digunakan pada rangka kendaraan, piston, dan sistem rem. Mereka juga berperan dalam energi angin, elektronik, dan infrastruktur, meningkatkan kekuatan dan daya tahan berbagai komponen.

4. Standar Serat Karbon Berbasis PAN

Tiongkok telah menetapkan beberapa standar untuk kinerja serat karbon dan penerapannya pada komposit, seperti:

• GB/T 3362-2005: Sifat tarik benang multifilamen serat karbon.

• GB 3362-1982: Metode pengujian jumlah serat pada benang multifilamen serat karbon.

• GB 3364-1982: Metode pengujian diameter dan diameter setara.

• GB/T 3355-2005: Pengujian kandungan resin dalam plastik yang diperkuat serat karbon.

Standar-standar ini memastikan kualitas dan konsistensi produk serat karbon, sehingga memfasilitasi adopsi dan penerapannya secara lebih luas.

5. Pandangan Masa Depan

Industri serat karbon sangat penting untuk aplikasi material modern, transisi dari era baja ke era baru material komposit. Peran serat karbon dalam teknologi canggih dan aplikasi industri akan terus berkembang, didorong oleh penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan. Untuk mencapai hal ini, Tiongkok harus fokus pada mengatasi tantangan teknis dan meningkatkan proses produksi untuk mengurangi ketergantungan pada impor dan meningkatkan kemampuan dalam negeri.