Sve o karbonskim vlaknima

Poznavanje svega o ugljičnim vlaknima vrlo je važno za svaku modernu osobu. Razumijevajući tehnologiju proizvodnje ugljika u Rusiji, gustoću i druge karakteristike ugljičnih vlakana, bit će lakše razumjeti opseg njegove primjene i napraviti pravi izbor. Osim toga, trebali biste saznati sve o kitu i podnom grijanju s ugljičnim vlaknima, o stranim proizvođačima ovog proizvoda te o raznim područjima primjene.

Nazivi karbonska vlakna i karbonska vlakna, a u nizu izvora i ugljična vlakna, vrlo su česti. Ali ideja o stvarnim karakteristikama ovih materijala i mogućnostima njihove uporabe za mnoge je drugačija. S tehničkog stajališta, ovaj materijal je sastavljen od niti s poprečnim presjekom ne manjim od 5 i ne većim od 15 mikrona... Gotovo sav sastav se sastoji od atoma ugljika – otuda i naziv. Ti atomi sami su grupirani u oštre kristale koji tvore paralelne linije.

Ovaj dizajn pruža vrlo visoku vlačnu čvrstoću. Ugljična vlakna nisu potpuno nov izum. Prve uzorke sličnog materijala primio je i koristio Edison. Kasnije, sredinom dvadesetog stoljeća, ugljična vlakna su doživjela renesansu - i od tada se njihova upotreba stalno povećava.

Najvažnija karakteristika karbonskih vlakana ostaje njegova iznimna otpornost na toplinu... Čak i ako se tvar zagrije do 1600 - 2000 stupnjeva, tada se u nedostatku kisika u okolišu njegovi parametri neće promijeniti. Gustoća ovog materijala, uz uobičajenu, također je linearna (mjerena u tzv. texu). Uz linearnu gustoću od 600 tex, masa 1 km mreže bit će 600 g. U mnogim slučajevima modul elastičnosti materijala ili, kako kažu, Youngov modul, također je kritično važan.

Za vlakna visoke čvrstoće, ta se brojka kreće od 200 do 250 GPa. Ugljična vlakna visokog modula izrađena na bazi PAN-a imaju modul elastičnosti od približno 400 GPa. Za otopine s tekućim kristalima, ovaj parametar može varirati od 400 do 700 GPa. Modul elastičnosti izračunava se na temelju procjene njegove vrijednosti kada se pojedini kristali grafita rastežu. Orijentacija atomskih ravnina utvrđuje se analizom difrakcije X-zraka.

Zadana površinska napetost je 0,86 N/m. Prilikom obrade materijala za dobivanje metalno-kompozitnog vlakna, ova brojka raste na 1,0 N / m. Mjerenje metodom kapilarnog uspona pomaže u određivanju odgovarajućeg parametra. Talište vlakana na bazi naftnih smola je 200 stupnjeva. Predenje se odvija na oko 250 stupnjeva; talište drugih vrsta vlakana izravno ovisi o njihovom sastavu.

Maksimalna širina karbonskih tkanina ovisi o tehnološkim zahtjevima i nijansama. Za mnoge proizvođače to je 100 ili 125 cm. Što se tiče aksijalne čvrstoće, ona će biti jednaka:

• za proizvode visoke čvrstoće na bazi PAN-a od 3000 do 3500 MPa;
• za vlakna sa značajnim produljenjem, strogo 4500 MPa;
• za materijale visokog modula od 2000 do 4500 MPa.

Teorijski proračuni stabilnosti kristala pod vlačnom silom prema atomskoj ravnini rešetke daju procijenjenu vrijednost od 180 GPa.Očekivana praktična granica je 100 GPa. Međutim, eksperimenti još nisu potvrdili prisutnost razine veće od 20 GPa. Prava čvrstoća karbonskih vlakana ograničena je njegovim mehaničkim nedostacima i nijansama proizvodnog procesa. Vlačna čvrstoća presjeka duljine 1/10 mm utvrđena u praktičnim studijama bit će od 9 do 10 GPa.

Posebnu pažnju zaslužuju karbonska vlakna T30. Ovaj materijal se uglavnom koristi u proizvodnji šipki. Ovo rješenje odlikuje se lakoćom i izvrsnom ravnotežom. Indeks T30 označava modul elastičnosti od 30 tona.

Ugljična vlakna mogu biti izrađena od raznih vrsta polimera. Način obrade određuje dvije glavne vrste takvih materijala - karbonizirane i grafitizirane vrste. Postoji važna razlika između vlakana dobivenih iz PAN-a i različitih tipova nagiba. Kvalitetna ugljična vlakna, i visoke čvrstoće i visokog modula, mogu imati različite razine tvrdoće i modula. Uobičajeno je upućivati ​​ih na različite marke.

Vlakna se izrađuju u obliku filamenta ili snopa. Formiraju se od 1000 do 10000 kontinuiranih niti. Od ovih vlakana mogu se izraditi i tkiva, poput kudelja (u ovom slučaju je broj filamenata još veći). Početna sirovina nisu samo jednostavna vlakna, već i smole tekućih kristala, kao i poliakrilonitril. Proces proizvodnje podrazumijeva prvo proizvodnju originalnih vlakana, a zatim se zagrijavaju na zraku na 200 - 300 stupnjeva.

U slučaju PAN-a, ovaj proces se naziva predobrada ili povećanje otpornosti na vatru. Nakon takvog postupka, smola dobiva tako važno svojstvo kao što je netopivost. Vlakna su djelomično oksidirana. Način daljnjeg zagrijavanja određuje hoće li pripadati karboniziranoj ili grafitiziranoj skupini. Završetak rada podrazumijeva davanje površini potrebnih svojstava, nakon čega se ona završava ili dimenzionira.

Oksidacija u zraku povećava otpornost na vatru ne samo kao rezultat oksidacije. Doprinos je dat ne samo djelomičnom dehidrogenacijom, već i intermolekularnim umrežavanjem i drugim procesima. Dodatno, smanjena je osjetljivost materijala na taljenje i isparavanje ugljikovih atoma. Karbonizaciju (u visokotemperaturnoj fazi) prati rasplinjavanje i bijeg svih stranih atoma.

Njihova naknadna karbonizacija provodi se u dušičnom okruženju na 1000 - 1500 stupnjeva. Optimalna razina grijanja, prema nizu tehnologa, je 1200 - 1400 stupnjeva. Vlakna visokog modula morat će se zagrijati do oko 2500 stupnjeva. U preliminarnoj fazi, PAN dobiva ljestvenu mikrostrukturu. Kondenzacija na intramolekularnoj razini, popraćena pojavom policikličke aromatične tvari, "odgovorna" je za njezin nastanak.

Što se temperatura više povećava, to će struktura cikličkog tipa biti veća. Nakon završetka toplinske obrade prema tehnologiji, raspored molekula ili aromatskih fragmenata je takav da će glavne osi biti paralelne s osi vlakana. Napetost sprječava pad stupnja orijentacije. Specifičnosti razgradnje PAN-a tijekom toplinske obrade određene su koncentracijom cijepljenih monomera. Svaka vrsta takvih vlakana određuje početne uvjete obrade.

Naftnu smolu s tekućim kristalima potrebno je dugo držati na temperaturama od 350 do 400 stupnjeva. Ovaj način će dovesti do kondenzacije policikličkih molekula. Njihova se masa povećava i postupno dolazi do lijepljenja (s formiranjem sferolita). Ako zagrijavanje ne prestane, sferuliti rastu, molekularna masa se povećava, a rezultat je stvaranje kontinuirane tekuće kristalne faze. Kristali su povremeno topljivi u kinolinu, ali se obično ne otapaju ni u njemu ni u piridinu (to ovisi o nijansama tehnologije).

Vlakna dobivena od smole tekućih kristala s 55 - 65% tekućih kristala teku plastično. Predenje se izvodi na 350 - 400 stupnjeva. Visoko orijentirana struktura nastaje početnim zagrijavanjem u zračnoj atmosferi na 200 - 350 stupnjeva i naknadnim držanjem u inertnoj atmosferi. Vlakna marke Thornel P-55 moraju se zagrijati do 2000 stupnjeva, što je veći modul elastičnosti, to bi temperatura trebala biti viša.

U posljednje vrijeme znanstveni i inženjerski radovi posvećuju sve više pažnje tehnologiji hidrogenacije. Početna proizvodnja vlakana često se postiže hidrogeniranjem smjese katrana ugljena i naftalne gume. U tom slučaju bi trebao biti prisutan tetrahidrokinolin. Temperatura obrade je 380 - 500 stupnjeva. Krutine se mogu ukloniti filtracijom i centrifugiranjem; tada se smole zgušnjavaju na povišenoj temperaturi. Za proizvodnju ugljika potrebno je koristiti (ovisno o tehnologiji) prilično raznoliku opremu:

• slojevi koji raspoređuju vakuum;
• pumpe;
• brtveni pojasevi;
• radni stolovi;
• zamke;
• vodljiva mreža;
• vakuumski filmovi;
• prepregi;
• autoklavi.

Sljedeći proizvođači karbonskih vlakana su vodeći na svjetskom tržištu:

• Thornell, Fortafil i Celion (Sjedinjene Američke Države);
• Grafil i Modmore (Engleska);
• Kureha-Lone i Toreika (Japan);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL grupa;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Danas se ugljik proizvodi u Rusiji:

• Čeljabinska tvornica ugljika i kompozitnih materijala;
• Balakovska proizvodnja ugljika;
• NPK Khimprominžiniring;
• Saratovsko poduzeće "START".

Ugljična vlakna koriste se za izradu kompozitne armature. Također je uobičajeno koristiti ga za dobivanje:

• dvosmjerne tkanine;
• dizajnerske tkanine;
• biaksijalno i kvadroaksijalno tkivo;
• tkanina bez tkanja;
• jednosmjerna traka;
• prepregi;
• vanjska armatura;
• vlakno;
• pojasevi.

Sada je prilično ozbiljna inovacija infracrveni topli pod. U ovom slučaju, materijal se koristi kao zamjena za tradicionalnu metalnu žicu. Može proizvesti 3 puta više topline, osim toga, potrošnja energije je smanjena za oko 50%. Ljubitelji složenih tehnika modeliranja često koriste ugljične cijevi dobivene namatanjem. Ove proizvode traže i proizvođači automobila i druge opreme. Ugljična vlakna se često koriste za ručne kočnice, na primjer. Također, na temelju ovog materijala dobiva se:

• dijelovi za modele zrakoplova;
• jednodijelne nape;
• bicikli;
• dijelovi za tuning automobila i motocikala.

Ploče od ugljične tkanine su 18% tvrđe od aluminija i 14% više od konstrukcijskog čelika... Rukavci na bazi ovog materijala potrebni su za dobivanje cijevi i cijevi promjenjivog presjeka, spiralnih proizvoda različitih profila. Također se koriste za proizvodnju i popravak palica za golf. Također je vrijedno istaknuti njegovu upotrebu. u proizvodnji posebno izdržljivih futrola za pametne telefone i druge gadgete. Takvi su proizvodi obično vrhunskog karaktera i imaju poboljšane dekorativne kvalitete.

Što se tiče praha raspršenog grafita, potrebno je:

• pri primanju električno vodljivih premaza;
• prilikom ispuštanja ljepila raznih vrsta;
• kod armiranja kalupa i nekih drugih dijelova.

Kit od ugljičnih vlakana bolji je od tradicionalnog kita na više načina. Ovu kombinaciju mnogi stručnjaci cijene zbog svoje plastičnosti i mehaničke čvrstoće. Sastav je prikladan za prekrivanje dubokih nedostataka. Karbonske šipke ili šipke su jake, lagane i dugotrajne. Takav materijal je potreban za:

• zrakoplovstvo;
• raketna industrija;
• oslobađanje sportske opreme.

Pirolizom soli karboksilne kiseline mogu se dobiti ketoni i aldehidi.Izvrsna toplinska svojstva karbonskih vlakana omogućuju korištenje u grijačima i jastučićima za grijanje. Takvi grijači:

• ekonomičan;
• pouzdan;
• odlikuju se impresivnom učinkovitošću;
• ne širite opasno zračenje;
• relativno kompaktan;
• savršeno automatiziran;
• radi bez nepotrebnih problema;
• ne širite vanjsku buku.

Kompoziti ugljik-ugljik koriste se u proizvodnji:

• nosači za lončiće;
• konusni dijelovi za vakuumske peći za taljenje;
• cijevni dijelovi za njih.

Dodatna područja primjene uključuju:

• domaći noževi;
• koristiti za ventil za latice na motorima;
• korištenje u građevinarstvu.

Moderni graditelji već dugo koriste ovaj materijal ne samo za vanjsko ojačanje. Također je potrebno ojačati kamene kuće i bazene. Ljepljeni armaturni sloj vraća kvalitete nosača i greda u mostovima. Također se koristi pri izradi septičkih jama i uokvirivanja prirodnih, umjetnih rezervoara, pri radu s kesonom i silos jamom.

U sljedećem videu pronaći ćete više informacija o proizvodnji karbonskih vlakana.