Vše o uhlíkových vláknech

Znát vše o uhlíkových vláknech je pro každého moderního člověka velmi důležité. Pochopení technologie výroby uhlíku v Rusku, hustoty a dalších charakteristik uhlíkových vláken, bude snazší porozumět rozsahu jeho použití a učinit správnou volbu. Kromě toho byste se měli dozvědět vše o tmelu a podlahovém vytápění s uhlíkovými vlákny, o zahraničních výrobcích tohoto produktu a o různých oblastech použití.

Velmi rozšířené jsou názvy uhlíkové vlákno a uhlíkové vlákno a v řadě zdrojů také uhlíkové vlákno. Ale představa o skutečných vlastnostech těchto materiálů a možnostech jejich použití je pro mnoho lidí zcela odlišná. Z technického hlediska tento materiál je sestaven ze závitů s průřezem nejméně 5 a ne větším než 15 mikronů... Téměř celé složení je tvořeno atomy uhlíku – odtud název. Samotné tyto atomy jsou seskupeny do ostrých krystalů, které tvoří paralelní linie.

Tato konstrukce poskytuje velmi vysokou pevnost v tahu. Uhlíkové vlákno není úplně nový vynález. První vzorky podobného materiálu obdržel a použil Edison. Později, v polovině dvacátého století, karbonové vlákno zažilo renesanci – a od té doby jeho použití neustále roste.

Nejdůležitější z vlastností uhlíkových vláken zůstává jeho mimořádná tepelná odolnost... I když se látka zahřeje na 1600 - 2000 stupňů, pak se při nepřítomnosti kyslíku v prostředí její parametry nezmění. Hustota tohoto materiálu je spolu s obvyklou také lineární (měřeno v tzv. tex). Při lineární hustotě 600 tex bude hmotnost 1 km pásu 600 g. V mnoha případech je také kriticky důležitý modul pružnosti materiálu, nebo, jak se říká, Youngův modul.

U vysokopevnostních vláken se toto číslo pohybuje od 200 do 250 GPa. Vysokomodulové uhlíkové vlákno vyrobené na bázi PAN má modul pružnosti přibližně 400 GPa. U roztoků z tekutých krystalů se tento parametr může pohybovat od 400 do 700 GPa. Modul pružnosti se vypočítá na základě odhadu jeho hodnoty při natahování jednotlivých krystalů grafitu. Orientace atomových rovin je stanovena pomocí rentgenové difrakční analýzy.

Výchozí povrchové napětí je 0,86 N/m. Při zpracování materiálu na vlákno z kovového kompozitu se toto číslo zvyšuje na 1,0 N/m. Měření metodou kapilárního výstupu pomáhá určit odpovídající parametr. Teplota tání vláken na bázi ropných smol je 200 stupňů. Odstřeďování probíhá při asi 250 stupních; teplota tání jiných typů vláken přímo závisí na jejich složení.

Maximální šířka karbonových tkanin závisí na technologických požadavcích a nuancích. U mnoha výrobců je to 100 nebo 125 cm. Pokud jde o axiální pevnost, bude se rovnat:

• pro vysokopevnostní výrobky na bázi PAN od 3000 do 3500 MPa;
• pro vlákna s výraznou tažností přísně 4500 MPa;
• pro vysokomodulový materiál od 2000 do 4500 MPa.

Teoretické výpočty stability krystalu při tahové síle směrem k atomové rovině mřížky dávají odhadovanou hodnotu 180 GPa.Předpokládaný praktický limit je 100 GPa. Experimenty však zatím přítomnost hladiny vyšší než 20 GPa nepotvrdily. Skutečná pevnost uhlíkových vláken je omezena jejich mechanickými vadami a nuancemi výrobního procesu. Pevnost v tahu profilu o délce 1/10 mm stanovená praktickými studiemi bude od 9 do 10 GPa.

Zvláštní pozornost si zaslouží uhlíkové vlákno T30. Tento materiál se používá především při výrobě tyčí. Toto řešení se vyznačuje lehkostí a vynikající vyvážeností. Index T30 označuje modul pružnosti 30 tun.

Uhlíková vlákna mohou být vyrobena ze široké škály typů polymerů. Způsob zpracování určuje dva hlavní typy těchto materiálů - karbonizované a grafitizované typy. Existuje důležitý rozdíl mezi vlákny odvozenými z PAN a různými typy rozteče. Kvalitní uhlíková vlákna, jak s vysokou pevností, tak s vysokým modulem, mohou mít různé úrovně tvrdosti a modulu. Je obvyklé odkazovat je na různé značky.

Vlákna jsou vyráběna ve formátu filamentu nebo svazku. Jsou tvořeny z 1000 až 10000 nekonečných vláken. Tkáně z těchto vláken mohou být také vyrobeny jako koudele (v tomto případě je počet vláken ještě větší). Výchozí surovinou jsou nejen jednoduchá vlákna, ale také smoly z tekutých krystalů a také polyakrylonitril. Výrobní proces zahrnuje nejprve výrobu původních vláken a poté je zahřívají na vzduchu na 200 - 300 stupňů.

V případě PAN se tento proces nazývá předúprava nebo zvýšení požární odolnosti. Po takovém postupu získává smola tak důležitou vlastnost, jako je vyluhovatelnost. Vlákna jsou částečně oxidována. Způsob dalšího ohřevu určuje, zda budou patřit do skupiny karbonizované nebo grafitizované. Dokončení práce znamená dát povrchu potřebné vlastnosti, po kterém je dokončen nebo dimenzován.

Oxidace na vzduchu zvyšuje požární odolnost nejen v důsledku oxidace. Přínosem je nejen parciální dehydrogenace, ale také mezimolekulární síťování a další procesy. Navíc je snížena náchylnost materiálu k tání a těkání atomů uhlíku. Karbonizace (ve vysokoteplotní fázi) je doprovázena zplyňováním a únikem všech cizích atomů.

Jejich následná karbonizace se provádí v dusíkovém prostředí při 1000 - 1500 stupních. Optimální úroveň ohřevu je podle řady technologů 1200 - 1400 stupňů. Vlákno s vysokým modulem se bude muset zahřát až na asi 2500 stupňů. V předběžné fázi získává PAN žebříkovou mikrostrukturu. Za její vznik je „odpovědná“ kondenzace na intramolekulární úrovni doprovázená výskytem polycyklické aromatické látky.

Čím více teplota stoupá, tím větší bude struktura cyklického typu. Po ukončení tepelného zpracování podle technologie je uspořádání molekul nebo aromatických fragmentů takové, že hlavní osy budou rovnoběžné s osou vlákna. Napětí zabraňuje poklesu stupně orientace. Specifické vlastnosti rozkladu PAN při tepelném zpracování jsou dány koncentrací roubovaných monomerů. Každý typ takových vláken určuje počáteční podmínky zpracování.

Kapalnou krystalickou ropnou smůlu je třeba dlouhodobě uchovávat při teplotách od 350 do 400 stupňů. Tento režim povede ke kondenzaci polycyklických molekul. Jejich hmota se zvětšuje a postupně dochází ke slepování (za vzniku sférolitů). Pokud se zahřívání nezastaví, sférolity rostou, zvyšuje se molekulová hmotnost a výsledkem je vznik souvislé kapalné krystalické fáze. Krystaly jsou občas rozpustné v chinolinu, ale většinou se v něm ani v pyridinu nerozpustí (záleží na nuancích technologie).

Vlákna získaná ze smoly tekutých krystalů s 55 - 65 % tekutých krystalů tečou plasticky. Odstřeďování se provádí při 350 - 400 stupních. Vysoce orientovaná struktura vzniká počátečním zahřátím ve vzdušné atmosféře na 200 - 350 stupňů a následným udržením v inertní atmosféře. Vlákna značky Thornel P-55 se musí zahřát až na 2000 stupňů, čím vyšší modul pružnosti, tím vyšší teplota by měla být.

Vědecké a inženýrské práce věnují v poslední době stále větší pozornost technologii využívající hydrogenaci. Počáteční výroba vláken se často provádí hydrogenací směsi uhelné dehtové smoly a naftalátové pryskyřice. V tomto případě musí být přítomen tetrahydrochinolin. Teplota zpracování je 380 - 500 stupňů. Pevné látky lze odstranit filtrací a odstředěním; poté se smoly zahustí při zvýšené teplotě. Pro výrobu karbonu je nutné použít (v závislosti na technologii) celou řadu zařízení:

• vrstvy, které distribuují vakuum;
• čerpadla;
• těsnicí postroje;
• pracovní stoly;
• pasti;
• vodivé pletivo;
• vakuové filmy;
• prepregy;
• autoklávy.

Tito výrobci uhlíkových vláken vedou na světovém trhu:

• Thornell, Fortafil a Celion (Spojené státy americké);
• Grafil a Modmore (Anglie);
• Kureha-Lone a Toreika (Japonsko);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Dnes se uhlík vyrábí v Rusku:

• Čeljabinský závod na výrobu uhlíkových a kompozitních materiálů;
• Balakovo Carbon Production;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Saratovský podnik "START".

Uhlíkové vlákno se používá k výrobě kompozitní výztuže. Je také běžné jej používat k získání:

• obousměrné tkaniny;
• Designové látky;
• biaxiální a quadroaxiální tkáň;
• netkaná textilie;
• jednosměrná páska;
• prepregy;
• vnější výztuha;
• vlákno;
• postroje.

Docela vážná inovace je nyní infračervená teplá podlaha. V tomto případě se materiál používá jako náhrada za tradiční kovový drát. Dokáže vyvinout 3x více tepla, navíc se spotřeba energie sníží asi o 50 %. Milovníci modelářských složitých technik často využívají uhlíkové trubičky získané navíjením. Tyto produkty jsou také žádané výrobci automobilů a dalšího vybavení. Karbonové vlákno se často používá například pro ruční brzdy. Na základě tohoto materiálu také získejte:

• části modelů letadel;
• jednodílné digestoře;
• jízdní kola;
• díly pro tuning automobilů a motocyklů.

Panely z uhlíkové tkaniny jsou o 18 % tužší než hliník a o 14 % více než konstrukční ocel... Objímky na bázi tohoto materiálu jsou potřebné k získání trubek a trubek s proměnným průřezem, spirálových výrobků různých profilů. Používají se také na výrobu a opravy golfových holí. Za zmínku stojí i jeho použití. při výrobě zvláště odolných pouzder pro chytré telefony a další gadgety. Takové výrobky jsou obvykle prémiového charakteru a mají vylepšené dekorativní vlastnosti.

Pokud jde o prášek disperzního grafitového typu, je potřeba:

• při přijímání elektricky vodivých povlaků;
• při uvolňování lepidla různých typů;
• při zpevňování forem a některých dalších dílů.

Tmel z uhlíkových vláken je v mnoha ohledech lepší než tradiční tmel. Tato kombinace je oceňována mnoha odborníky pro její plasticitu a mechanickou pevnost. Kompozice je vhodná pro zakrytí hlubokých defektů. Karbonové pruty nebo pruty jsou pevné, lehké a mají dlouhou životnost. Takový materiál je potřebný pro:

• letectví;
• raketový průmysl;
• vydání sportovního vybavení.

Pyrolýzou solí karboxylových kyselin lze získat ketony a aldehydy.Vynikající tepelné vlastnosti uhlíkového vlákna umožňují jeho použití v ohřívačích a vyhřívacích podložkách. Takové ohřívače:

• hospodárný;
• spolehlivý;
• vyznačují se působivou účinností;
• nešířit nebezpečné záření;
• relativně kompaktní;
• dokonale automatizované;
• provozován bez zbytečných problémů;
• nešíří cizí hluk.

Kompozity uhlík-uhlík se používají při výrobě:

• podpěry pro kelímky;
• kuželové části pro vakuové tavicí pece;
• trubkové díly pro ně.

Mezi další oblasti použití patří:

• domácí nože;
• použití pro okvětní ventil na motorech;
• použití ve stavebnictví.

Moderní stavitelé již dlouho používají tento materiál nejen pro vnější vyztužení. Je také potřeba zpevnit kamenné domy a bazény. Lepená výztužná vrstva obnovuje kvality podpěr a nosníků v mostech. Používá se také při vytváření septiků a rámování přírodních, umělých nádrží, při práci s kesonem a jámou na silo.

V dalším videu najdete více informací o výrobě uhlíkových vláken.