Vse o ogljikovih vlaknih

Vedeti vse o ogljikovih vlaknih je zelo pomembno za vsakega sodobnega človeka. Če razumemo tehnologijo proizvodnje ogljika v Rusiji, gostoto in druge značilnosti ogljikovih tkanin, bomo lažje razumeli obseg njegove uporabe in naredili pravo izbiro. Poleg tega morate izvedeti vse o kitu in talnem gretju s karbonskimi vlakni, o tujih proizvajalcih tega izdelka in o različnih aplikacijah.

Poimenovanja karbonska vlakna in karbon ter v številnih virih tudi karbonska vlakna sta zelo pogosta. Toda ideja o dejanskih lastnostih teh materialov in možnostih njihove uporabe je za mnoge ljudi precej drugačna. S tehničnega vidika, ta material je sestavljen iz niti s presekom najmanj 5 in ne več kot 15 mikronov. Skoraj celotno sestavo predstavljajo ogljikovi atomi - od tod tudi ime. Ti atomi so združeni v prozorne kristale, ki tvorijo vzporedne črte.

Ta oblika zagotavlja zelo visoko odpornost na natezno silo. Ogljikova vlakna niso povsem nov izum. Edison je prejel in uporabil prve vzorce podobnega materiala.Kasneje, sredi 20. stoletja, so ogljikova vlakna doživela preporod – od takrat pa se njihova uporaba vztrajno povečuje.

Najpomembnejša značilnost ogljikovih vlaken je njihova izjemna toplotna odpornost. Tudi če se snov segreje na 1600 - 2000 stopinj, se njeni parametri v odsotnosti kisika v okolju ne bodo spremenili. Gostota tega materiala je poleg običajne lahko tudi linearna (merjena v t. i. teksih). Pri linearni gostoti 600 tex bo masa 1 km tkanine 600 g.V mnogih primerih je modul elastičnosti materiala ali, kot pravijo, Youngov modul, v mnogih primerih kritičen.

Za vlakno visoke trdnosti se ta indikator giblje od 200 do 250 GPa. Ogljikova vlakna z visokim modulom, izdelana iz PAN, imajo modul elastičnosti približno 400 GPa. Za raztopine tekočih kristalov se lahko ta parameter spreminja od 400 do 700 GPa. Modul elastičnosti izračunamo na podlagi ocene njegove vrednosti pri raztezanju posameznih kristalov grafita. Usmerjenost atomskih ravnin ugotovimo z analizo rentgenske difrakcije.

Privzeta površinska napetost je 0,86 N/m. Pri obdelavi materiala za pridobitev kovinsko-kompozitnega vlakna se ta indikator dvigne na 1,0 N/m. Meritev z metodo kapilarnega dviga pomaga določiti ustrezen parameter. Temperatura taljenja vlaken na osnovi naftnih smol je 200 stopinj. Predenje poteka pri približno 250 stopinjah; tališče drugih vrst vlaken je neposredno odvisno od njihove sestave.

Največja širina karbonskih mrež je odvisna od tehnoloških zahtev in odtenkov. Pri mnogih proizvajalcih je 100 ali 125 cm. Kar zadeva aksialno trdnost, bo enaka:

• za izdelke visoke trdnosti na osnovi PAN od 3000 do 3500 MPa;
• za vlakna s pomembnim raztezkom strogo 4500 MPa;
• za visokomodulni material od 2000 do 4500 MPa.

Teoretični izračuni stabilnosti kristala pod natezno silo proti atomski ravnini rešetke dajejo ocenjeno vrednost 180 GPa. Pričakovana praktična meja je 100 GPa. Vendar poskusi še niso potrdili prisotnosti ravni nad 20 GPa. Resnična moč ogljikovih vlaken je omejena z njihovimi mehanskimi napakami in niansami proizvodnega procesa. Natezna trdnost odseka dolžine 1/10 mm, ugotovljena v praktičnih študijah, bo od 9 do 10 GPa.

Ogljikova vlakna T30 si zaslužijo posebno pozornost. Ta material se uporablja predvsem pri izdelavi palic. Ta rešitev je lahka in odlično uravnotežena. Indeks T30 označuje modul elastičnosti 30 ton.

Ogljikova vlakna je mogoče pridobiti iz najrazličnejših vrst polimerov. Način obdelave določa dve glavni vrsti takih materialov - karbonizirane in grafitizirane vrste. Med vlakni, pridobljenimi iz PAN-a in iz različnih vrst smole, obstaja pomembna razlika. Kakovostna ogljikova vlakna, tako kategorije visoke trdnosti kot visokomodula, imajo lahko različne ravni trdote in modula elastičnosti. Običajno jih je pripisati različnim blagovnim znamkam.

Vlakna so izdelana v obliki niti ali snopa.Sestavljeni so iz 1000 do 10000 neprekinjenih osnovnih vlaken. Tkanine iz teh vlaken se lahko razvijejo tudi kot snopi (v tem primeru je število elementarnih vlaken še večje). Surovine so vlakna ne samo enostavnih, ampak tudi tekočih kristalnih smol, pa tudi poliakrilonitril. Proizvodni proces vključuje prvo proizvodnjo originalnih vlaken, nato pa jih segrejemo na zraku na 200 - 300 stopinj.

V primeru PAN se ta postopek imenuje predobdelava ali zaviranje požara. Peck po takem postopku prejme tako pomembno lastnost kot infuzibilnost. Vlakna so delno oksidirana. Od načina nadaljnjega segrevanja je odvisno, ali bodo pripadali karbonizirani ali grafitizirani skupini. Dokončanje dela pomeni, da površini damo potrebne lastnosti, po katerih je oblečena ali oblečena.

Oksidacija v zračni atmosferi poveča požarno odpornost ne le zaradi oksidacije. Ne prispeva le delna dehidrogenacija, temveč tudi medmolekularno zamreženje in drugi procesi. Poleg tega se zmanjša dovzetnost materiala za taljenje in izhlapevanje ogljikovih atomov. Karbonizacijo (v visokotemperaturni fazi) spremlja uplinjanje in odstranitev vseh tujih atomov.

Njihova nadaljnja karbonizacija se izvaja v okolju dušika pri 1000 - 1500 stopinjah. Optimalna stopnja ogrevanja po mnenju številnih tehnologov je 1200 - 1400 stopinj. Vlakno z visokim modulom bo treba segreti na približno 2500 stopinj. V predhodni fazi pridobi PAN lestvičasto mikrostrukturo.Za njegov nastanek je »odgovorna« kondenzacija na intramolekularni ravni, ki jo spremlja pojav policiklične aromatske snovi.

Bolj ko se temperatura dvigne, večja bo struktura cikličnega tipa. Po končani toplotni obdelavi po tehnologiji je postavitev molekul ali aromatskih fragmentov taka, da bodo glavne osi vzporedne z osjo vlaken. Napetost prepreči padec stopnje orientacije. Značilnosti razgradnje PAN med toplotno obdelavo so določene s koncentracijo cepljenih monomerov. Vsaka vrsta takih vlaken določa začetne pogoje obdelave.

Naftno smolo iz tekočih kristalov je treba dolgo časa hraniti pri temperaturi od 350 do 400 stopinj. Tak režim bo vodil do kondenzacije policikličnih molekul. Njihova masa se poveča in postopoma pride do lepljenja (z nastankom sferulitov). Če segrevanja ne ustavimo, sferuliti rastejo, molekulska masa se povečuje, rezultat pa je nastanek neločljive tekoče kristalne faze. Kristali so občasno topni v kinolinu, običajno pa se ne raztopijo tako v njem kot v piridinu (to je odvisno od odtenkov tehnologije).

Vlakna, pridobljena iz smole tekočih kristalov s 55 - 65 % tekočih kristalov, tečejo plastično. Predenje se izvaja pri 350 - 400 stopinjah. Visoko usmerjena struktura nastane z začetnim segrevanjem v zračni atmosferi na 200 - 350 stopinj in kasnejšim izpostavljanjem inertni atmosferi. Vlakna Thornel P-55 je treba segreti do 2000 stopinj, višji ko je modul elastičnosti, višja mora biti temperatura.

V zadnjem času znanstveno in inženirsko delo vse več pozornosti namenja tehnologiji hidrogeniranja.Začetna proizvodnja vlaken se pogosto izvaja s hidrogeniranjem mešanice smole iz premogovega katrana in naftalenske smole. V tem primeru mora biti prisoten tetrahidrokinolin. Temperatura obdelave je 380 - 500 stopinj. Trdne nečistoče je mogoče odstraniti s filtracijo in centrifugiranjem; nato se smole zgostijo pri povišani temperaturi. Za proizvodnjo ogljika je treba uporabiti (odvisno od tehnologije) precej raznoliko opremo:

• plasti, ki porazdelijo vakuum;
• črpalke;
• tesnilni jermeni;
• namizni računalniki;
• pasti;
• prevodne mreže;
• vakuumske folije;
• prepregi;
• avtoklavi.

Vodilni proizvajalci ogljikovih vlaken na svetovnem trgu so:

• Thornel, Fortafil in Celion (Združene države);
• "Graphil" in "Modmore" (Anglija);
• "Kureha-Lon" in "Toreika" (Japonska);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• Skupina SGL;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Do danes se ogljik proizvaja v Rusiji:

• Tovarna ogljikovih in kompozitnih materialov v Čeljabinsku;
• "Proizvodnja ogljika Balakovo";
• NPK "Khimpromenženiring";
• Saratovsko podjetje "SNV".

Ogljikova vlakna se uporabljajo za izdelavo kompozitne armature. Prav tako se običajno uporablja za pridobitev:

• dvosmerne tkanine;
• dizajnerske tkanine;
• dvoosno in kvadraksialno tkivo;
• netkana tkanina;
• enosmerni trak;
• prepregi;
• zunanja ojačitev;
• vlakna;
• pasovi.

Zdaj je precej resna novost infrardeča topla tla V tem primeru se material uporablja kot nadomestek za tradicionalno kovinsko žico. Ustvari lahko 3-krat več toplote, poleg tega se poraba energije zmanjša za približno 50%.Ljubitelji modeliranja kompleksne tehnologije pogosto uporabljajo karbonske cevi, pridobljene z navijanjem. Po teh izdelkih povprašujejo tudi proizvajalci avtomobilov in druge opreme. Ogljikova vlakna se pogosto uporabljajo na primer za ročno zavoro. Tudi na podlagi tega gradiva prejmete:

• deli za modele letal;
• cele nape;
• kolesa;
• deli za tuning avtomobilov in motorjev.

Plošče iz ogljikovih vlaken so 18 % trše od aluminija in 14 % večje od strukturnega jekla. Objemke na osnovi tega materiala so potrebne za pridobivanje cevi spremenljivega prereza, spiralnih izdelkov različnih profilov. Uporabljajo se tudi za izdelavo in popravilo palic. Omeniti velja tudi njegovo uporabo v proizvodnji posebej trpežnih etuijev za pametne telefone in druge pripomočke. Takšni izdelki imajo običajno vrhunski značaj in imajo povečane dekorativne lastnosti.

Kar zadeva prah vrste dispergiranega grafita, je potrebno:

• ob prejemu električno prevodnih premazov;
• pri sproščanju lepila različnih vrst;
• pri utrjevanju kalupov in nekaterih drugih detajlov.

Kit iz ogljikovih vlaken je na več načinov boljši od tradicionalnega kita. Takšno kombinacijo mnogi strokovnjaki cenijo zaradi plastičnosti, mehanske trdnosti. Sestava je primerna za pokrivanje globokih napak. Karbonske palice ali palice so močne, lahke in dolgotrajne. Tak material je potreben za:

• letalstvo;
• raketna industrija;
• proizvodnja športne opreme.

S pirolizo soli karboksilnih kislin lahko dobimo ketone in aldehide. Odlične toplotne lastnosti ogljikovih vlaken omogočajo uporabo v grelnikih in električnih grelnih blazinah. Ti grelci:

• ekonomično;
• zanesljiv;
• razlikujejo se po impresivni učinkovitosti;
• ne širijo nevarnega sevanja;
• relativno kompakten;
• popolnoma avtomatiziran;
• deluje brez težav;
• ne širite tujega hrupa.

Ogljik-ogljik kompoziti se uporabljajo v proizvodnji:

• stojala za lončke;
• stožčasti deli za vakuumske talilne peči;
• cevni deli zanje.

Dodatna področja uporabe vključujejo:

• domači noži;
• uporaba za reed ventil na motorjih;
• uporaba v gradbeništvu.

Sodobni gradbeniki že dolgo uporabljajo ta material ne le za zunanjo ojačitev. Prav tako je potrebno okrepiti kamnite hiše in bazene. Lepljenje armirnega sloja obnovi kakovost nosilcev in nosilcev v mostovih. Uporablja se tudi za ustvarjanje greznic in okvirja naravnih, umetnih rezervoarjev, pri delu s kesonom in silosno jamo.

V naslednjem videu boste našli več informacij o proizvodnji ogljikovih vlaken.