Kako se proizvode karbonska vlakna?
Karbonska vlakna izrađena su od poliakrilonitrilnih (PAN) vlakana. Ova PAN vlakna se dobivaju polimerizacijom, predenjem i istezanjem polimera. Dobiveni polimerni lanci raspoređeni su duž smjera osi niti. Ovo je ključno za dobivanje karakteristika karbonskih vlakana.
Zatim se PAN vlakna procesom karbonizacije pretvaraju u karbonska vlakna. Prvi korak se zove oksidacija, što čini vlakna poliakrilonitrila nezapaljivima. Oksidacija se događa između 200 i 300 stupnjeva C. U ovom koraku, napetost se primjenjuje na filamente vlakana kako bi se osiguralo da polimerni lanci ostanu ispravno poravnati.
U sljedećem koraku, koji se naziva karbonizacija, toplina se primjenjuje na vlakna kako bi se uklonili neugljikovi atomi i zadržali samo ugljikovi atomi. Na temperaturi od približno 1500 stupnjeva C, oksidirana poliakrilonitrilna vlakna reagiraju u inertnoj atmosferi i formiraju karakteristične grafitne ravnine karbonskih vlakana.
Ugljična vlakna mogu proći drugu toplinsku obradu na temperaturama iznad 2 stupnja C. Pod djelovanjem topline, kristalna struktura ugljičnih vlakana se transformira u ugljična vlakna visokog modula.
Zatim se karbonska vlakna podvrgavaju površinskoj obradi: kemijskoj elektrolizi. Omogućuje cijepljenje kisikovih skupina na površinu filamenta. Ove skupine kisika pripremaju vlakna za završni dio procesa karbonizacije: primjenu tretmana kalibriranjem. Nanošenje ljepila koristi se za pospješivanje adhezije između vlakana i polimerne matrice u kompozitnim materijalima. Time se optimizira kasnija obrada karbonskih vlakana.
Karakteristike karbonskih vlakana
Lagani atributi
Ugljična vlakna su vrlo lagana jer je atomska masa ugljikovih atoma vrlo niska. Osim toga, kemijska struktura sastavljena od grafitnih ravnina raspoređenih u kristalima rezultira većim razmakom između atoma ugljika.
Mehanička izvedba
Karbonska vlakna su vrlo jaka i kruta (visokog modula). Kovalentne veze vežu atome ugljika u grafitnoj ravnini. Te su kemijske veze vrlo stabilne: zbog zajedničkih elektrona između atoma ugljika potrebna je velika količina energije za kidanje kovalentnih veza.
Struktura karbonskih vlakana također igra važnu ulogu u čvrstoći i otpornosti materijala.
Stoga ugljični kompozitni materijali imaju neusporedivu vlačnu čvrstoću, modul i otpornost na zamor.
Toplinska izvedba
Karbonska vlakna su otporna na toplinu. Kada se koristi na visokim radnim temperaturama, ugljična vlakna se neće razgraditi ili proširiti.
Kako bi se u potpunosti iskoristila njegova toplinska svojstva, ugljična vlakna se ponekad kombiniraju s keramičkom matricom kako bi se formirali kompoziti s keramičkom matricom (CMC). Stoga se ugljik može smatrati keramičkim materijalom. Stoga CMC još uvijek mogu zadržati svoje karakteristike ugljika na temperaturama iznad 2 stupnja C.
Vodljivost i otpor
Ugljična vlakna imaju vodljivost. Pod električnom strujom, karbonska vlakna stvaraju Jouleovu toplinu. Zbog svoje vodljivosti i izvrsne otpornosti na toplinu, pruža izvrsno rješenje za grijanje. Ugljični kompozitni materijali također se mogu koristiti za zaštitu elektroničkih uređaja od radio ili elektromagnetskih smetnji. Stoga se ugljični kompozitni materijali ponašaju kao Faradayevi kavezi.
Propusnost X-zraka
Karbonska vlakna se sastoje od laganih elemenata: 95% atoma ugljika i 5% dušika. Apsorbira vrlo malo X-zraka i vrlo je pogodan za medicinsko snimanje.
Nije zapaljivo
Ugljična vlakna imaju izuzetno uređenu strukturu koja može inducirati mnoge jake veze između atoma ugljika. Stoga reakcija oksidacije nastala u požaru ne može biti samodostatna, što ovaj materijal čini nezapaljivim.
Primjena karbonskih vlakana
Karbonska vlakna su lagana, izdržljiva i dugotrajna, što ih čini vrhunskim materijalom. Najviše se koristi za poboljšanje kompozitnih materijala. Uglavnom se koristi u:
Zrakoplovna industrija;
Industrija sporta i slobodnog vremena (palice za golf, štapovi za pecanje, okviri za bicikle);
Automobilska industrija;
pomorska industrija;
niskogradnja;
Energetska industrija.
Ugljična vlakna se obično koriste za smanjenje težine vozila, zrakoplova i drugih oblika javnog prijevoza. Zrakoplovi izrađeni od karbonskih kompozitnih materijala 20% su lakši od onih izrađenih od tradicionalnih materijala. Smanjenje težine za 20% tijekom cijelog životnog ciklusa zrakoplova može smanjiti emisije ugljičnog dioksida za 2 tone.
Automobilska industrija: Rješenja za vodikovu energiju
The battery life of hydrogen powered cars is now longer than that of battery powered cars (>500 kilometara). Zbog skladištenja stlačenog vodikovog plina u tlačnim spremnicima od karbonskih vlakana, ova se izvedba može postići. Zbog svojih jedinstvenih performansi, karbonska vlakna su jedini materijal koji može pružiti potrebnu čvrstoću, laganu i dugotrajnu izvedbu za ove spremnike goriva.
Karbonski papir također je rješenje za proizvodnju ključnih komponenti gorivih ćelija s membranom za izmjenu protona: membrane za difuziju plina.
Proizvodnja karbonskih vlakana
Karbonska vlakna izrađena su od poliakrilonitrilnih (PAN) vlakana. Ova PAN vlakna se dobivaju polimerizacijom, predenjem i istezanjem polimera. Dobiveni polimerni lanci su poredani duž osi filamenta, što je ključno za postizanje svojstava karbonskih vlakana.
Zatim se PAN vlakna transformiraju u karbonska vlakna kroz proces koji se naziva karbonizacija. Prvi korak je oksidacija, koja vlakna poliakrilonitrila čini nezapaljivima. Oksidacija se događa između 200 do 300 stupnjeva. Tijekom ovog koraka, napetost se primjenjuje na filamente kako bi se osiguralo da polimerni lanci ostanu ispravno poravnati.
U sljedećem koraku, koji se naziva karbonizacija, toplina se primjenjuje na vlakna kako bi se uklonili neugljikovi atomi i zadržali samo ugljikovi atomi. Na otprilike 1500 stupnjeva, oksidirana poliakrilonitrilna vlakna reagiraju u inertnoj atmosferi i formiraju karakteristične grafitne ravnine karbonskih vlakana.
Ugljična vlakna mogu proći drugu toplinsku obradu na temperaturama iznad 2,000 stupnja. Pod utjecajem topline kristalna struktura karbonskih vlakana prelazi u karbonska vlakna visokog modula.
Zatim se ugljična vlakna podvrgavaju površinskoj obradi: kemijskoj elektrolitičkoj obradi. To omogućuje cijepljenje kisikovih skupina na površinu filamenata. Ove skupine kisika pripremaju vlakna za završni dio procesa karbonizacije: primjenu dimenzioniranja. Dimenzioniranje se koristi za promicanje prianjanja između vlakana i polimerne matrice kompozitnih materijala, optimizirajući kasniju obradu karbonskih vlakana.
Karakteristike karbonskih vlakana
Lagana svojstva
Ugljična vlakna su vrlo lagana zbog niske atomske mase ugljikovih atoma. Osim toga, kemijska struktura sastavljena od grafitnih ravnina raspoređenih u kristalima rezultira većim razmakom između atoma ugljika.
Mehanička izvedba
Karbonska vlakna su izuzetno jaka i kruta (visokog modula). Kovalentne veze drže atome ugljika u grafitnim ravninama zajedno. Te su kemijske veze vrlo stabilne: budući da atomi ugljika dijele elektrone, potrebna je značajna količina energije za kidanje kovalentnih veza.
Struktura karbonskih niti također igra ključnu ulogu u čvrstoći i otpornosti materijala. Posljedično, ugljikovi kompoziti posjeduju neusporedivu vlačnu čvrstoću, modul i otpornost na zamor.
Toplinska svojstva
Karbonska vlakna su otporna na toplinu. Ne degradira niti se širi kada se koristi na visokim radnim temperaturama. Kako bi se u potpunosti iskoristila njegova toplinska svojstva, ugljična vlakna se ponekad kombiniraju s keramičkim matricama kako bi se formirali keramički matrični kompoziti (CMC). Stoga se ugljik može smatrati keramičkim materijalom. Posljedično, CMC zadržavaju svojstva ugljika čak i na temperaturama iznad 2,000 stupnja.
Električna vodljivost i otpor
Ugljična vlakna su električki vodljiva. Pod električnom strujom, karbonska vlakna stvaraju Jouleovu toplinu. Zbog svoje vodljivosti i izvrsne otpornosti na toplinu, nudi izvanredna rješenja za grijanje. Ugljični kompoziti također se mogu koristiti za zaštitu elektroničkih uređaja od radijskih ili elektromagnetskih smetnji, djelujući tako kao Faradayev kavez.
Prodornost rendgenskih zraka
Karbonska vlakna se sastoje od laganih elemenata: 95% atoma ugljika i 5% dušika. Apsorbira vrlo malo X-zraka, što ga čini idealnim za medicinske primjene.
Nezapaljivost
Ugljična vlakna imaju izuzetno uređenu strukturu koja inducira mnoge jake veze između atoma ugljika. Kao rezultat toga, reakcije oksidacije nastale u požaru ne mogu se održati, što ovom materijalu daje njegova nezapaljiva svojstva.
Primjena karbonskih vlakana
Karbonska vlakna su lagana, izdržljiva i jaka, što ih čini vrhunskim materijalom. Najviše se koristi za ojačavanje kompozitnih materijala. Glavne primjene uključuju:
- Zrakoplovna industrija
- Industrija sporta i slobodnog vremena (palice za golf, štapovi za pecanje, okviri za bicikle)
- Automobilska industrija
- Pomorska industrija
- Niskogradnja
- Energetska industrija
Ugljična vlakna se obično koriste za smanjenje težine vozila, zrakoplova i drugih oblika javnog prijevoza. Zrakoplov s trupom izrađenim od karbonskih kompozita 20% je lakši od zrakoplova izrađenog od tradicionalnih materijala. Tijekom životnog vijeka zrakoplova, smanjenje težine od 20% može smanjiti emisije CO2 za 2 tone.
Automobilska industrija: vodikova rješenja
Automobili s pogonom na vodik sada imaju dulje trajanje baterije od električnih automobila (preko 500 km). Ta je izvedba moguća zahvaljujući skladištenju stlačenog vodika u tlačnim spremnicima od karbonskih vlakana. Zbog svojih jedinstvenih svojstava, ugljična vlakna su jedini materijal koji može pružiti potrebnu čvrstoću, lakoću i dugoročne performanse za ove spremnike.
Karbonski papir također je rješenje za proizvodnju ključnih komponenti gorivih ćelija s membranom za izmjenu protona: slojeva za difuziju plina.