Sve o karbonskim vlaknima

Poznavanje svega o karbonskim vlaknima veoma je važno za svakog savremenog čoveka. Razumevajući tehnologiju proizvodnje ugljenika u Rusiji, gustinu i druge karakteristike ugljeničnih vlakana, biće lakše razumeti obim njegove primene i napraviti pravi izbor. Pored toga, trebalo bi da saznate sve o kitu i podnom grejanju sa karbonskim vlaknima, o stranim proizvođačima ovog proizvoda i o raznim oblastima primene.

Nazivi ugljenična vlakna i karbonska vlakna, au brojnim izvorima i karbonska vlakna su veoma česti. Ali ideja o stvarnim karakteristikama ovih materijala i mogućnostima njihove upotrebe je sasvim drugačija za mnoge ljude. Sa tehničke tačke gledišta, ovaj materijal je sastavljen od niti sa poprečnim presekom ne manjim od 5 i ne većim od 15 mikrona... Skoro ceo sastav se sastoji od atoma ugljenika - otuda i naziv. Sami ovi atomi su grupisani u oštre kristale koji formiraju paralelne linije.

Ovaj dizajn obezbeđuje veoma visoku zateznu čvrstoću. Karbonska vlakna nisu potpuno nov izum. Prve uzorke sličnog materijala primio je i koristio Edison. Kasnije, sredinom dvadesetog veka, karbonska vlakna su doživela renesansu - i od tada se njihova upotreba stalno povećava.

Najvažnija karakteristika karbonskih vlakana ostaje njegova izuzetna otpornost na toplotu... Čak i ako se supstanca zagreje do 1600 - 2000 stepeni, onda se u odsustvu kiseonika u okruženju njegovi parametri neće promeniti. Gustina ovog materijala je, uz uobičajenu, takođe linearna (merena u tzv. teksu). Sa linearnom gustinom od 600 teksa, masa 1 km mreže biće 600 g. U mnogim slučajevima, modul elastičnosti materijala ili, kako kažu, Jangov modul, takođe je kritično važan.

Za vlakna visoke čvrstoće, ova cifra se kreće od 200 do 250 GPa. Ugljična vlakna visokog modula na bazi PAN-a imaju modul elastičnosti od približno 400 GPa. Za rastvore tečnih kristala, ovaj parametar može da varira od 400 do 700 GPa. Modul elastičnosti se izračunava na osnovu procene njegove vrednosti kada se pojedinačni kristali grafita rastežu. Orijentacija atomskih ravni se utvrđuje pomoću analize difrakcije rendgenskih zraka.

Podrazumevana površinska napetost je 0,86 N/m. Prilikom obrade materijala za dobijanje metalno-kompozitnog vlakna, ova cifra se povećava na 1,0 N / m. Merenje metodom kapilarnog uspona pomaže da se odredi odgovarajući parametar. Tačka topljenja vlakana na bazi naftnih smola je 200 stepeni. Predenje se odvija na oko 250 stepeni; tačka topljenja drugih vrsta vlakana direktno zavisi od njihovog sastava.

Maksimalna širina karbonskih tkanina zavisi od tehnoloških zahteva i nijansi. 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 od 3000 do 3500 MPa;
• za vlakna sa značajnim izduženjem, strogo 4500 MPa;
• za materijale visokog modula od 2000 do 4500 MPa.

Teorijski proračuni stabilnosti kristala pod zateznom silom prema atomskoj ravni rešetke daju procenjenu vrednost od 180 GPa.Očekivana praktična granica je 100 GPa. Međutim, eksperimenti još nisu potvrdili prisustvo nivoa većeg od 20 GPa. Prava snaga karbonskih vlakana ograničena je njegovim mehaničkim nedostacima i nijansama proizvodnog procesa. Zatezna čvrstoća preseka dužine 1/10 mm utvrđena u praktičnim studijama biće od 9 do 10 GPa.

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

Karbonska vlakna se mogu napraviti od širokog spektra tipova polimera. Način obrade određuje dve glavne vrste takvih materijala - karbonizovane i grafitizovane vrste. Postoji važna razlika između vlakana dobijenih iz PAN-a i različitih tipova nagiba. Kvalitetna ugljenična vlakna, kako visoke čvrstoće tako i visokog modula, mogu imati različite nivoe tvrdoće i modula. Uobičajeno je da ih upućujemo na različite brendove.

Vlakna se izrađuju u obliku filamenta ili snopa. Formiraju se od 1000 do 10000 neprekidnih filamenata. Od ovih vlakana se mogu napraviti i tkiva, poput kudelja (u ovom slučaju, broj filamenata je još veći). Početna sirovina nisu samo jednostavna vlakna, već i smole tečnih kristala, kao i poliakrilonitril. Proces proizvodnje podrazumeva prvo proizvodnju originalnih vlakana, a zatim se zagrevaju na vazduhu na 200 - 300 stepeni.

U slučaju PAN-a, ovaj proces se naziva predtretman ili povećanje otpornosti na vatru. Nakon takvog postupka, smola dobija tako važnu osobinu kao što je netopivost. Vlakna su delimično oksidovana. Način daljeg zagrevanja određuje da li će pripadati karbonizovanoj ili grafitizovanoj grupi. Završetak rada podrazumeva davanje površini potrebnih svojstava, nakon čega se završava ili dimenzionisanje.

Oksidacija u vazduhu povećava otpornost na vatru ne samo kao rezultat oksidacije. Doprinos je dat ne samo delimičnom dehidrogenacijom, već i intermolekularnim umrežavanjem i drugim procesima. Pored toga, smanjena je osetljivost materijala na topljenje i isparavanje atoma ugljenika. Karbonizacija (u visokotemperaturnoj fazi) je praćena gasifikacijom i izbacivanjem svih stranih atoma.

Njihova naknadna karbonizacija se vrši u azotnom okruženju na 1000 - 1500 stepeni. Optimalni nivo grejanja, prema brojnim tehnologama, je 1200 - 1400 stepeni. Vlakna visokog modula će morati da se zagreju do oko 2500 stepeni. U preliminarnoj fazi, PAN dobija merdevine mikrostrukture. Kondenzacija na intramolekularnom nivou, praćena pojavom policiklične aromatične supstance, "odgovorna" je za njen nastanak.

Što više temperatura raste, to će biti veća struktura cikličnog tipa. Nakon završetka termičke obrade prema tehnologiji, raspored molekula ili aromatičnih fragmenata je takav da će glavne ose biti paralelne sa osom vlakana. Napetost sprečava pad stepena orijentacije. Specifičnosti raspadanja PAN-a tokom termičke obrade određene su koncentracijom kalemljenih monomera. Svaka vrsta takvih vlakana određuje početne uslove obrade.

Naftnu smolu sa tečnim kristalima potrebno je dugo držati na temperaturama od 350 do 400 stepeni. Ovaj režim će dovesti do kondenzacije policikličnih molekula. Njihova masa se povećava i postepeno dolazi do lepljenja (sa formiranjem sferolita). Ako se zagrevanje ne zaustavi, sferuliti rastu, molekulska težina se povećava, a rezultat je formiranje kontinuirane tečne kristalne faze. Kristali su povremeno rastvorljivi u hinolinu, ali se obično ne rastvaraju ni u njemu ni u piridinu (ovo zavisi od nijansi tehnologije).

Vlakna dobijena od smole tečnih kristala sa 55 - 65% tečnih kristala teku plastično. Predenje se vrši na 350 - 400 stepeni. Visoko orijentisana struktura se formira početnim zagrevanjem u vazdušnoj atmosferi na 200 - 350 stepeni i naknadnim držanjem u inertnoj atmosferi. Vlakna marke Thornel P-55 moraju se zagrejati do 2000 stepeni, što je veći modul elastičnosti, to bi trebalo da bude veća temperatura.

U poslednje vreme naučni i inženjerski radovi posvećuju sve više pažnje tehnologiji hidrogenizacije. Početna proizvodnja vlakana se često postiže hidrogenizacijom mešavine smole ugljenog katrana i naftalne gume. U ovom slučaju treba da bude prisutan tetrahidrokinolin. Temperatura obrade je 380 - 500 stepeni. Čvrste materije se mogu ukloniti filtracijom i centrifugom; zatim se smole zgušnjavaju na povišenoj temperaturi. Za proizvodnju ugljenika potrebno je koristiti (u zavisnosti od tehnologije) dosta raznovrsne opreme:

• slojevi koji distribuiraju vakuum;
• pumpe;
• zaptivni pojasevi;
• radni stolovi;
• zamke;
• provodljiva mreža;
• vakuumski filmovi;
• prepregs;
• autoklavi.

Sledeći proizvođači karbonskih vlakana su vodeći na svetskom tržištu:

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

Danas se ugljenik proizvodi u Rusiji:

• Čeljabinska fabrika ugljenika i kompozitnih materijala;
• Balakovska proizvodnja ugljenika;
• NPK Himprominžiniring;
• Saratovsko preduzeće "START".

Karbonska vlakna se koriste za izradu kompozitnog ojačanja. Takođe je uobičajeno da se koristi za dobijanje:

• dvosmerne tkanine;
• dizajnerske tkanine;
• biaksijalno i kvadroaksijalno tkivo;
• материјал који није ткан;
• jednosmerna traka;
• prepregs;
• spoljna armatura;
• влакно;
• uprtači.

Sada je prilično ozbiljna inovacija infracrveni topli pod. U ovom slučaju, materijal se koristi kao zamena za tradicionalnu metalnu žicu. Može da generiše 3 puta više toplote, osim toga, potrošnja energije je smanjena za oko 50%. Ljubitelji složenih tehnika modeliranja često koriste ugljenične cevi dobijene namotavanjem. Ovi proizvodi su takođe traženi od strane proizvođača automobila i druge opreme. Karbonska vlakna se često koriste za ručne kočnice, na primer. Takođe, na osnovu ovog materijala, nabavite:

• delovi za modele aviona;
• jednodelne kapuljače;
• bicikli;
• delovi za podešavanje automobila i motocikala.

Ploče od karbonske tkanine su 18% čvršće od aluminijuma i 14% više od strukturalnog čelika... Creva na bazi ovog materijala su potrebna za dobijanje cevi i cevi promenljivog preseka, spiralnih proizvoda različitih profila. Koriste se i za proizvodnju i popravku palica za golf. Takođe je vredno istaći njegovu upotrebu. u proizvodnji posebno izdržljivih futrola za pametne telefone i druge gedžete. Takvi proizvodi su obično vrhunskog karaktera i imaju poboljšane dekorativne kvalitete.

Što se tiče praha dispergovanog tipa grafita, potrebno je:

• pri prijemu električno provodnih premaza;
• prilikom ispuštanja lepka raznih vrsta;
• prilikom armiranja kalupa i nekih drugih delova.

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

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

Pirolizom soli karboksilne kiseline mogu se dobiti ketoni i aldehidi.Odlična termička svojstva karbonskih vlakana omogućavaju mu da se koristi u grejačima i jastučićima za grejanje. Takvi grejači:

• ekonomičan;
• pouzdan;
• odlikuju se impresivnom efikasnošću;
• ne širite opasno zračenje;
• relativno kompaktan;
• savršeno automatizovan;
• radi bez nepotrebnih problema;
• ne širite stranu buku.

Kompoziti ugljenik-ugljenik se koriste u proizvodnji:

• nosači za lončiće;
• konusni delovi za peći za vakuumsko topljenje;
• cevasti delovi za njih.

Dodatne oblasti primene uključuju:

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

Savremeni graditelji već dugo koriste ovaj materijal ne samo za spoljno ojačanje. Takođe je potrebno ojačati kamene kuće i bazene. Lepljeni armaturni sloj vraća kvalitet nosača i greda u mostovima. Takođe se koristi pri izradi septičkih jama i uokvirivanja prirodnih, veštačkih rezervoara, pri radu sa kesonom i silos jamom.

U sledećem videu ćete naći više informacija o proizvodnji ugljeničnih vlakana.