Włókno węglowe (z ang. carbon fibre) to materiał wyjątkowy pod każdym względem: niezwykle wytrzymały, lekki, o unikalnym prestiżowym wyglądzie. Materiał ten jest wciąż obwiany pewną dozą tajemnicy – jeszcze 40 lat temu, dostęp do niego miały jedynie ośrodki wojskowe i NASA.
Włókno węglowe jest długim, cienkim pasmem materiału o średnicy 0,0002-0,0004 in (0,005-0,010 mm) i składa się głównie z atomów węgla. Atomy węgla są połączone razem w mikroskopijne kryształy, które są mniej więcej ustawione równolegle do długiej osi włókna. Wyrównanie kryształów sprawia, że włókno jest niewiarygodnie mocne jak na swój rozmiar. Kilka tysięcy włókien węglowych skręconych razem, tworzy przędzę, która może być użyta samodzielnie lub wpleciona w tkaninę.
Przędza lub tkanina jest łączona z żywicą epoksydową i nawijana lub formowana w celu utworzenia różnych materiałów kompozytowych. Materiały kompozytowe wzmacniane włóknem węglowym używane są do produkcji części samolotów i statków kosmicznych, karoserii samochodów wyścigowych, wałów kijów golfowych, ram rowerów, wędek wędkarskich, sprężyn samochodowych, masztów do żaglówek i wielu innych elementów, gdzie wymagana jest niewielka waga i wysoka wytrzymałość.
Włókna węglowe zostały opracowane w latach 50-tych XX wieku jako wzmocnienie dla wysokotemperaturowych elementów formowanych z tworzyw sztucznych na pociskach rakietowych. Pierwsze włókna były produkowane przez podgrzewanie pasm rayonu do momentu ich zwęglenia. Proces ten okazał się nieefektywny, ponieważ powstałe w jego wyniku włókna zawierały tylko około 20% węgla i miały niskie właściwości wytrzymałościowe i sztywnościowe. Na początku lat 60-tych XX wieku opracowano proces, w którym jako surowiec zastosowano poliakrylonitryl. W ten sposób otrzymano włókno węglowe, które zawierało około 55% węgla i miało znacznie lepsze właściwości. Proces konwersji poliakrylonitrylu szybko stał się podstawową metodą produkcji włókien węglowych.
W latach 70-tych XX wieku prace eksperymentalne mające na celu znalezienie alternatywnych surowców doprowadziły do wprowadzenia włókien węglowych wykonanych z paku naftowego pochodzącego z przeróbki ropy naftowej. Włókna te zawierały około 85% węgla i miały doskonałą wytrzymałość na zginanie. Niestety, miały one jedynie ograniczoną wytrzymałość na ściskanie i nie były powszechnie akceptowane.
Obecnie włókna węglowe stanowią ważną część wielu produktów, a co roku opracowywane są nowe zastosowania. Stany Zjednoczone, Japonia i Europa Zachodnia są wiodącymi producentami włókien węglowych.
Klasyfikacja włókien węglowych
Włókna węglowe klasyfikowane są według modułu sprężystości przy rozciąganiu. Moduł sprężystości przy rozciąganiu jest miarą tego, jak dużą siłę ciągnącą może wywierać włókno o określonej średnicy bez zerwania. Angielską jednostką miary jest funt siły na cal kwadratowy pola przekroju poprzecznego, czyli psi. Włókna węglowe sklasyfikowane jako “niski moduł” mają moduł sprężystości przy rozciąganiu poniżej 34,8 mln psi (240 mln kPa). Inne klasyfikacje, w porządku rosnącym według modułu sprężystości przy rozciąganiu, obejmują “moduł standardowy”, “moduł pośredni”, “wysoki moduł” i “bardzo wysoki moduł”. Włókna węglowe o ultra wysokim module sprężystości mają moduł sprężystości przy rozciąganiu 72,5-145,0 mln psi (500 mln-1,0 mld kPa). Dla porównania, stal ma moduł sprężystości przy rozciąganiu ok. 29 mln psi (200 mln kPa). Tak więc, najsilniejsze włókno węglowe jest około pięć razy wytrzymalsze od stali.
Termin “włókno grafitowe” odnosi się do niektórych ultra-wysoki moduł sprężystości włókien wykonanych z paku naftowego. Włókna te mają strukturę wewnętrzną, która ściśle odpowiada trójwymiarowemu ułożeniu krystalicznemu, charakterystycznemu dla czystej formy węgla, znanej jako grafit.
Surowce na włókna węglowe
Surowiec używany do produkcji włókna węglowego nazywany jest prekursorem. Około 90% produkowanych włókien węglowych jest wykonanych z poliakrylonitrylu. Pozostałe 10% wykonane jest z rayonu lub paku naftowego. Wszystkie te materiały są polimerami organicznymi, charakteryzującymi się długimi łańcuchami cząsteczek związanych atomami węgla. Dokładny skład każdego z prekursorów różni się w zależności od przedsiębiorstwa i jest ogólnie uważany za tajemnicę handlową.
W procesie produkcji wykorzystuje się różne gazy i ciecze. Niektóre z tych materiałów są przeznaczone do reakcji z włóknem w celu osiągnięcia określonego efektu. Inne materiały są zaprojektowane tak, aby nie wchodziły w reakcję z włóknem lub zapobiegały pewnym reakcjom z nim. Podobnie jak w przypadku prekursorów, dokładny skład wielu z tych materiałów procesowych jest uważany za tajemnicę handlową.
Produkcja włókien węglowych
Proces wytwarzania włókien węglowych jest częściowo chemiczny, a częściowo mechaniczny. Prekursor jest wciągany w długie nitki lub włókna, a następnie podgrzewany do bardzo wysokiej temperatury, co nie pozwala na jego kontakt z tlenem. Bez tlenu włókno nie może się spalić. Zamiast tego, wysoka temperatura powoduje gwałtowne wibracje atomów we włóknie, aż do momentu, gdy większość atomów niewęglowych zostanie wydalona. Proces ten nazywany jest karbonizacją i pozostawia włókno składające się z długich, szczelnych
Włókna są powlekane, aby chronić je przed uszkodzeniem podczas nawijania lub tkania. Powlekane włókna nawijane są na cylindry zwane szpulkami. Zablokowane łańcuchy atomów węgla, z których pozostało tylko kilka atomów niewęglowych. Oto typowa sekwencja operacji używanych do formowania włókien węglowych z poliakrylonitrylu.
Spinning
- Proszek tworzywa akrylonitrylowego jest mieszany z innym tworzywem sztucznym, takim jak akrylan metylu lub metakrylan metylu, i jest poddawany reakcji z katalizatorem w konwencjonalnym procesie polimeryzacji w postaci zawiesiny lub roztworu w celu utworzenia tworzywa poliakrylonitrylowego.
- Tworzywo sztuczne jest następnie przetwarzane na włókna za pomocą jednej z kilku różnych metod. W niektórych metodach tworzywo miesza się z pewnymi substancjami chemicznymi i przepompowuje przez maleńkie dysze do kąpieli chemicznej lub komory hartowniczej, gdzie następuje jego koagulacja i zestalenie we włóknach. Jest to proces podobny do tego, który wykorzystuje się do formowania poliakrylowych włókien tekstylnych. W innych metodach mieszanka tworzyw sztucznych jest podgrzewana i przepompowywana przez maleńkie dysze do komory, w której rozpuszczalniki odparowują, pozostawiając stałe włókno. Etap wirowania jest ważny, ponieważ w trakcie tego procesu powstaje wewnętrzna struktura atomowa włókna.
- Następnie włókna są płukane i rozciągane do pożądanej średnicy włókna. Naciąganie pomaga wyrównać molekuły w obrębie włókna i stanowi podstawę do powstania ściśle połączonych kryształów węgla po karbonizacji.
Stabilizacja
- Zanim włókna zostaną zwęglone, muszą zostać chemicznie zmodyfikowane, aby przekształcić ich liniowe wiązanie atomowe w bardziej stabilne termicznie wiązanie drabinkowe. Odbywa się to poprzez podgrzewanie włókien w powietrzu do temperatury około 390-590° F (200-300° C) przez 30-120 minut. Powoduje to, że włókna pobierają cząsteczki tlenu z powietrza i zmieniają swój wzór wiązania atomowego. Stabilizujące reakcje chemiczne są złożone i obejmują kilka etapów, z których niektóre zachodzą jednocześnie. Wytwarzają one również własne ciepło, które musi być kontrolowane, aby uniknąć przegrzania włókien. Komercyjnie, proces stabilizacji wykorzystuje różne urządzenia i techniki. W niektórych procesach włókna są przeciągane przez szereg ogrzewanych komór. W innych włókna przechodzą przez gorące wałki i przez łoża materiałów sypkich utrzymywanych w zawiesinie przez strumień gorącego powietrza. W niektórych procesach wykorzystuje się ogrzane powietrze zmieszane z pewnymi gazami, które chemicznie przyspieszają proces stabilizacji.
Karbonizacja
- Po ustabilizowaniu się włókien, są one podgrzewane do temperatury około 1,830-5,500° F (1,000-3,000° C) przez kilka minut w piecu wypełnionym mieszaniną gazów, która nie zawiera tlenu. Brak tlenu uniemożliwia spalanie włókien w bardzo wysokich temperaturach. Ciśnienie gazu wewnątrz pieca jest utrzymywane na wyższym poziomie niż ciśnienie powietrza zewnętrznego, a punkty, w których włókna wchodzą i wychodzą z pieca, są uszczelnione, aby zapobiec przedostawaniu się tlenu. Gdy włókna są podgrzewane, zaczynają tracić swoje atomy niewęglowe, plus kilka atomów węgla, w postaci różnych gazów, w tym parę wodną, amoniak, tlenek węgla, dwutlenek węgla, wodór, azot i inne. W miarę jak atomy niewęglowe są wydalane, pozostałe atomy węgla tworzą ściśle związane kryształki węgla, które są ułożone mniej więcej równolegle do osi długiej włókna. W niektórych procesach stosuje się dwa piece pracujące w dwóch różnych temperaturach, aby lepiej kontrolować tempo ogrzewania podczas karbonizacji.
Obróbka powierzchni
- Po zwęgleniu włókna mają powierzchnię, która nie łączy się dobrze z epoksydami i innymi materiałami stosowanymi w materiałach kompozytowych. Aby nadać włóknom lepsze właściwości wiążące, ich powierzchnia jest lekko utleniona. Dodatek atomów tlenu do powierzchni zapewnia lepsze właściwości wiązania chemicznego, a także wytrawianie i szorstkowanie powierzchni w celu uzyskania lepszych właściwości wiązania mechanicznego. Utlenianie można osiągnąć poprzez zanurzenie włókien w różnych gazach, takich jak powietrze, dwutlenek węgla lub ozon; lub w różnych cieczach, takich jak podchloryn sodu lub kwas azotowy. Włókna mogą być również powlekane elektrolitycznie poprzez uczynienie z nich końcówki dodatniej w wannie wypełnionej różnymi materiałami przewodzącymi elektryczność. Proces obróbki powierzchniowej musi być starannie kontrolowany, aby uniknąć tworzenia się drobnych wad powierzchniowych, takich jak wgłębienia, które mogłyby spowodować uszkodzenie włókien.
Wymiarowanie
- Po obróbce powierzchniowej włókna są powlekane, aby zabezpieczyć je przed uszkodzeniem podczas nawijania lub tkania. Proces ten nazywany jest wymiarowaniem. Materiały powłokowe są dobierane tak, aby były kompatybilne z klejem stosowanym do formowania materiałów kompozytowych. Typowymi materiałami powłokowymi są epoksydy, poliester, nylon, uretan i inne.
- Włókna powlekane są nawijane na cylindry zwane szpulkami. Bobbiny są ładowane do maszyny przędzalniczej, a włókna są skręcane w przędze o różnych rozmiarach.
Kontrola jakości
Bardzo mały rozmiar włókien węglowych nie pozwala na wizualną kontrolę jako metodę kontroli jakości. Zamiast tego, produkcja spójnych włókien prekursorowych i ścisła kontrola procesu produkcyjnego wykorzystywanego do przekształcenia ich w włókna węglowe kontroluje jakość. Zmienne procesowe, takie jak czas, temperatura, przepływ gazu i skład chemiczny, są ściśle monitorowane na każdym etapie produkcji.
Włókna węglowe, jak również gotowe materiały kompozytowe, są również poddawane rygorystycznym badaniom. Powszechnie stosowane badania włókien obejmują gęstość, wytrzymałość, wielkość i inne parametry. W 1990 roku Stowarzyszenie Dostawców Zaawansowanych Materiałów Kompozytowych (Suppliers of Advanced Composite Materials Association) ustanowiło normy dla metod testowania włókien węglowych, które są obecnie stosowane w całej branży.
Obawy dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa
W produkcji i obróbce włókien węglowych istnieją trzy obszary problematyczne: wdychanie pyłu, podrażnienie skóry oraz wpływ włókien na urządzenia elektryczne.
Podczas przetwarzania, kawałki włókien węglowych mogą się łamać i krążyć w powietrzu w postaci drobnego pyłu. Badania przemysłowe wykazały, że w przeciwieństwie do niektórych włókien azbestowych, włókna węglowe są zbyt duże, aby mogły stanowić zagrożenie dla zdrowia podczas wdychania. Mogą one jednak być drażniące, a osoby pracujące w tym obszarze powinny nosić maski ochronne.
Włókna węglowe mogą również powodować podrażnienia skóry, szczególnie na grzbiecie dłoni i nadgarstkach. Odzież ochronna lub stosowanie kremów ochronnych na skórę jest zalecane dla osób przebywających w obszarze, w którym występuje pył z włókien węglowych. Materiały stosowane do powlekania włókien często zawierają substancje chemiczne, które mogą powodować poważne reakcje skórne, co również wymaga ochrony.
Włókna węglowe są nie tylko wytrzymałe, ale także dobrze przewodzą prąd elektryczny. W związku z tym pył z włókien węglowych może powodować powstawanie łuków i zwarć w urządzeniach elektrycznych. Jeśli nie można przenieść sprzętu elektrycznego z miejsca, w którym występuje pył węglowy, sprzęt jest uszczelniany w szafie lub innej obudowie.
Przyszłość włókien węglowych
W miarę jak technologia włókien węglowych będzie się nadal rozwijać, możliwości włókien węglowych będą się tylko różnicować i zwiększać. W Massachusetts Institute of Technology, kilka badań koncentrujących się na włóknach węglowych już teraz wykazuje się dużą obietnicą tworzenia nowych technologii produkcji i projektowania w celu zaspokojenia pojawiających się potrzeb przemysłu.
John Hart, pionier w dziedzinie nanorurek, pracuje ze swoimi studentami nad przekształceniem technologii produkcji, w tym nad poszukiwaniem nowych materiałów do wykorzystania w połączeniu z drukarkami 3D klasy komercyjnej.
Rezultatem były prototypowe maszyny, które drukowały roztopione szkło, lody Soft-Serve i kompozyty z włókna węglowego. Według Hart’a, zespoły studenckie stworzyły również maszyny, które mogły obsługiwać “równoległe wytłaczanie polimerów na dużych powierzchniach” i wykonywać “skanowanie optyczne in situ” procesu drukowania.
Dodatkowo, Hart współpracował z profesorem nadzwyczajnym z MIT, Mirceą Dinca, nad niedawno zakończoną trzyletnią współpracą z Lamborghini, mającą na celu zbadanie możliwości wykorzystania nowych włókien węglowych i materiałów kompozytowych, które pewnego dnia mogą nie tylko “umożliwić wykorzystanie całej karoserii samochodu jako systemu akumulatorowego”, ale także doprowadzić do “lżejszych, mocniejszych karoserii, bardziej wydajnych katalizatorów i lepszego przenoszenia ciepła przez układ napędowy”.
Przy tak oszałamiających przełomach na horyzoncie, nic dziwnego, że rynek włókien węglowych ma wzrosnąć z 4,7 miliarda dolarów w 2019 r. do 13,3 miliarda dolarów do 2029 r., przy składanym rocznym wskaźniku wzrostu 11,0% (lub nieco wyższym) w tym samym okresie czasu.
Źródło:
[1] Carbon fibre by Cjp24, Wikimedia Commons, Public domain
[2] Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley and Sons, Inc., 1993.