Η κατασκευή ινών άνθρακα σπάνια ξεκινά από άνθρακα: συνήθως η αφετηρία είναι ένα νήμα από ακρυλικό πολυμερές, το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), το οποίο θερμαίνεται πρώτα στον αέρα στους 180–300 °C περίπου και έπειτα, χωρίς οξυγόνο, σε πάνω από 1.000 °C. Το νήμα χάνει σχεδόν ό,τι δεν είναι άνθρακας και γίνεται ίνα άνθρακα. Οι ίνες στη συνέχεια συγκεντρώνονται σε δέσμες, υφαίνονται, εμποτίζονται με ρητίνη και σκληραίνουν σε καλούπι. Ακολουθεί κάθε στάδιο, εξηγημένο απλά.
Το διασταυρωμένο μοτίβο που βλέπετε σε μια θήκη από υφαντές ίνες άνθρακα είναι το ορατό αποτέλεσμα όλης αυτής της αλυσίδας: χιλιάδες ίνες ομαδοποιημένες σε δέσμες, πλεγμένες και στη συνέχεια σταθεροποιημένες σε διάφανη ρητίνη.
Εν συντομία
- Οι περισσότερες ίνες άνθρακα προέρχονται από νήμα PAN, που σταθεροποιείται στον αέρα και έπειτα ανθρακοποιείται σε αδρανές αέριο.
- Η θερμοκρασία ανθρακοποίησης καθορίζει τον τύπο της ίνας: υψηλής αντοχής γύρω στους 1.200–1.400 °C, υψηλού μέτρου ελαστικότητας έως 3.000 °C.
- Ένα άκαμπτο εξάρτημα προκύπτει μόνο με τη ρητίνη: ύφασμα ή prepreg, καλούπι και έπειτα σκλήρυνση υπό κενό ή σε αυτόκλειστο.
Από τι κατασκευάζονται οι ίνες άνθρακα;
Ο καθαρός άνθρακας δεν μπορεί να νηματοποιηθεί: δεν λιώνει σε κανονική πίεση και δεν διαλύεται. Για να προκύψει ίνα άνθρακα, κατασκευάζεται πρώτα μια ίνα από άλλο υλικό, το λεγόμενο πρόδρομο υλικό, και στη συνέχεια αφαιρείται με θερμότητα ό,τι δεν είναι άνθρακας, χωρίς το νήμα να χάσει το σχήμα του.
Η τεχνική βιβλιογραφία περιγράφει τρία πρόδρομα υλικά: το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), τις ίνες βισκόζης (ρεγιόν) και την πίσσα, υπόλειμμα του πετρελαίου ή του γαιάνθρακα. Το άρθρο αυτό ακολουθεί το PAN, τη διαδρομή που περιγράφεται για ίνες υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας και που δίνει καλή απόδοση σε άνθρακα: σύμφωνα με το μάθημα του Indian Institute of Technology που δημοσιεύεται στο NPTEL, τα πρόδρομα PAN δίνουν απόδοση σε άνθρακα 50 έως 55 %. Με άλλα λόγια, περίπου το μισό της μάζας του αρχικού νήματος φεύγει ως αέρια κατά την παραγωγή.
Το PAN είναι πολυμερές παρόμοιο με εκείνο των ακρυλικών υφασμάτων. Νηματοποιείται σε χιλιάδες συνεχείς ίνες, οι οποίες τεντώνονται ώστε τα μακριά μόριά του να ευθυγραμμιστούν κατά τον άξονα του νήματος. Η ευθυγράμμιση αυτή έχει σημασία: αυτή θα δώσει αργότερα στην ίνα άνθρακα την ακαμψία της κατά μήκος.
Πώς ένα ακρυλικό νήμα γίνεται άνθρακας;
Ο μετασχηματισμός γίνεται συνεχώς: οι δέσμες περνούν από μια σειρά φούρνων με αυξανόμενη θερμοκρασία. Διακρίνονται τρία στάδια.
1. Σταθεροποίηση (ή οξείδωση)
Το νήμα PAN θερμαίνεται πρώτα στον αέρα, στους 180–300 °C περίπου. Τα μόρια αναδιατάσσονται και δεσμεύουν οξυγόνο: το νήμα μαυρίζει και, κυρίως, γίνεται άτηκτο. Χωρίς αυτό το στάδιο θα έλιωνε ή θα καιγόταν στους επόμενους φούρνους. Η αντίδραση εκλύει θερμότητα, γι’ αυτό η θερμοκρασία πρέπει να ανεβαίνει αργά, ώστε η αντίδραση να μην ξεφύγει από τον έλεγχο.
2. Ανθρακοποίηση
Το σταθεροποιημένο νήμα μπαίνει έπειτα σε φούρνους γεμάτους με αδρανές αέριο, χωρίς οξυγόνο: επομένως δεν μπορεί να καεί. Το ίδιο μάθημα του NPTEL περιγράφει δύο ζώνες: έως τους 600 °C πολύ ήπια θέρμανση (λιγότερο από 5 °C ανά λεπτό) και στη συνέχεια από 600 έως 1.300 °C, όπου η θέρμανση μπορεί να είναι ταχύτερη. Υδρογόνο, άζωτο και οξυγόνο απελευθερώνονται ως αέρια, και τα άτομα άνθρακα που απομένουν διατάσσονται σε στρώσεις παρόμοιες με εκείνες του γραφίτη.
3. Γραφιτοποίηση (για ορισμένες ίνες)
Για ακόμη πιο άκαμπτες ίνες, η θερμοκρασία ανεβαίνει έως τους 3.000 °C περίπου, υπό τάση και πάντα σε αδρανές αέριο. Πάνω από τους 2.000 °C το άζωτο δεν χρησιμοποιείται πια ως προστατευτικό αέριο, επειδή θα αντιδρούσε με τον άνθρακα: χρησιμοποιούνται άλλα αδρανή αέρια.
Η τελική θερμοκρασία καθορίζει τον τύπο της ίνας που προκύπτει:
| Τύπος ίνας | Θερμοκρασία επεξεργασίας | Περιεκτικότητα σε άνθρακα |
|---|---|---|
| Υψηλής αντοχής | 1.200 έως 1.400 °C | 92 έως 96 % |
| Υψηλού μέτρου ελαστικότητας | 1.800 έως 2.500 °C | περίπου 99 % |
| Πολύ υψηλού μέτρου ελαστικότητας | 2.800 έως 3.000 °C | περίπου 99 % |
Πηγή: NPTEL, «Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors». Όσο πιο άκαμπτη είναι η ίνα («υψηλού μέτρου ελαστικότητας»), τόσο περισσότερη ενέργεια απαιτεί, κάτι που εξηγεί εν μέρει τη διαφορά κόστους μεταξύ των κατηγοριών.
Γιατί η ίνα υφίσταται επιφανειακή επεξεργασία και επικάλυψη;
Μόλις βγει από τους φούρνους, η ίνα άνθρακα είναι πολύ λεία και χημικά ελάχιστα δραστική. Ωστόσο είναι χρήσιμη μόνο όταν συνδέεται με ρητίνη. Δύο εργασίες προετοιμάζουν αυτή τη σύνδεση.
Επιφανειακή επεξεργασία. Ο Ιάπωνας κατασκευαστής Toray εξηγεί στον οδηγό επιλογής ινών άνθρακα ότι η επεξεργασία αυτή «προσθέτει οξυγονούχες λειτουργικές ομάδες και χαράσσει ελαφρά την επιφάνεια της ίνας». Έτσι η ρητίνη προσκολλάται καλύτερα στην ίνα.
Επικάλυψη (sizing). Στη συνέχεια εφαρμόζεται μια πολύ λεπτή προστατευτική στρώση, το λεγόμενο sizing, που επιλέγεται ώστε να είναι συμβατό με τη ρητίνη που θα χρησιμοποιηθεί: εποξειδική, πολυεστερική, βινυλεστερική… Η επικάλυψη προστατεύει επίσης τις ίνες κατά την ύφανση. Η Toray διευκρινίζει ότι μια λεπτή στρώση διευκολύνει το άπλωμα της δέσμης, ενώ μια παχύτερη προστατεύει καλύτερα την ίνα σε απαιτητικούς χειρισμούς.
Τέλος, η ίνα τυλίγεται σε μπομπίνες. Σε αυτό το στάδιο είναι ακόμη απλώς ένα μαύρο, εύκαμπτο νήμα: την ακαμψία θα τη δώσει η ρητίνη.
Τι σημαίνουν 3K, 12K και «twill»;
Από τις ίνες στις δέσμες
Μια δέσμη άνθρακα (αγγλικά «tow») συγκεντρώνει χιλιάδες παράλληλες ίνες. Ο αριθμός που ακολουθείται από το K δείχνει το πλήθος τους σε χιλιάδες: μια δέσμη 3K έχει 3.000 ίνες, μια δέσμη 12K έχει 12.000. Ο οδηγός της Toray αναφέρει για παράδειγμα την ίνα T300 σε εκδόσεις 1.000, 3.000 και 6.000 ινών ανά δέσμη και κατατάσσει τις δέσμες 1.000 έως 6.000 ινών στις «μικρές δέσμες»· οι τυπικές δέσμες που παράγονται στις ΗΠΑ έχουν 12.000, 24.000 ή 36.000 ίνες.
Οι μικρές δέσμες δίνουν λεπτή και ομοιόμορφη ύφανση, αυτήν που βλέπετε στα εμφανή εξαρτήματα. Οι μεγάλες δέσμες ταιριάζουν περισσότερο σε βιομηχανικά εξαρτήματα, όπου το μοτίβο σπάνια μένει ορατό.
Από τις δέσμες στο ύφασμα
Οι δέσμες υφαίνονται στη συνέχεια σε αργαλειούς, όπως ένα ύφασμα. Το έγγραφο «Prepreg Technology» της Hexcel, κατασκευαστή σύνθετων υλικών για την αεροναυπηγική, περιγράφει τις κύριες υφάνσεις:
- Απλή (plain): μία από πάνω, μία από κάτω, σαν σκακιέρα. Σταθερό ύφασμα, που όμως ακολουθεί δύσκολα τα καμπύλα σχήματα.
- Twill (διαγώνια ύφανση, 2/1, 3/1 ή 2/2): κάθε δέσμη περνά πάνω από δύο ή τρεις άλλες, σχηματίζοντας τις λοξές γραμμές που χαρακτηρίζουν τον άνθρακα. Μέσος συμβιβασμός ανάμεσα σε σταθερότητα και ικανότητα να ακολουθεί καμπύλες.
- Σατέν: πολύ λίγες διασταυρώσεις, εύπλαστο ύφασμα που ακολουθεί καλά τα σύνθετα σχήματα.
Υπάρχουν επίσης μονοκατευθυντικές στρώσεις, όπου όλες οι ίνες έχουν την ίδια φορά· χρησιμοποιούνται όταν ένα εξάρτημα καταπονείται κυρίως σε μία κατεύθυνση. Το «κλασικό» μοτίβο άνθρακα, που αλλάζει όψη ανάλογα με το φως, είναι συνήθως twill. Αυτό είναι άλλωστε ένα από τα σημάδια που περιγράφονται στον οδηγό μας για να ξεχωρίσετε τις γνήσιες ίνες άνθρακα από μια απομίμηση.
Πώς το ύφασμα γίνεται άκαμπτο εξάρτημα;
Ένα ύφασμα άνθρακα από μόνο του είναι εύκαμπτο. Για να προκύψει εξάρτημα, συνδυάζεται με ρητίνη (συνήθως εποξειδική) που, αφού σκληρύνει, κρατά τις ίνες στη θέση τους και τους μεταφέρει τα φορτία. Αυτό το ζεύγος ίνας και ρητίνης ονομάζεται σύνθετο υλικό.
Το prepreg
Στη βιομηχανία, το ύφασμα παραδίδεται συχνά ήδη εμποτισμένο με ακριβή ποσότητα ρητίνης: αυτό είναι το prepreg (προεμποτισμένο). Η Hexcel αναφέρει ότι φυλάσσεται σε καταψύκτη στους −18 °C, συνήθως για 12 μήνες, και ότι ένα ρολό μπορεί να χρειαστεί έως 48 ώρες για να έρθει σε θερμοκρασία δωματίου πριν ανοιχτεί. Σύμφωνα με το ίδιο έγγραφο, τα σύνθετα υλικά από prepreg άνθρακα φτάνουν περίπου το 60 % ίνες κατ’ όγκο.
Στρώση, σάκος κενού και σκλήρυνση
Οι στρώσεις prepreg κόβονται και τοποθετούνται η μία πάνω στην άλλη σε καλούπι, μερικές φορές με εναλλασσόμενο προσανατολισμό ινών: αυτό είναι η στρωματοποίηση. Το σύνολο καλύπτεται με τεχνικά φιλμ και έναν σάκο και στη συνέχεια αφαιρείται ο αέρας. Το κενό πιέζει τις στρώσεις μεταξύ τους με πίεση έως 1 bar και το εξάρτημα σκληραίνει σε φούρνο. Για τα πιο απαιτητικά εξαρτήματα, ο φούρνος αντικαθίσταται από αυτόκλειστο, ένα δοχείο που προσθέτει πίεση: το διάγραμμα της Hexcel δείχνει πιέσεις από 1 έως 10 bar.
Οι εποξειδικές ρητίνες για prepreg σκληραίνουν συνήθως στους 120 °C ή στους 180 °C. Η Hexcel αντιστοιχίζει στην πρώτη θερμοκρασία λειτουργίας περίπου 100 °C και στη δεύτερη 130 έως 155 °C. Μετά την ψύξη και την αφαίρεση από το καλούπι, το εξάρτημα κόβεται στις διαστάσεις του, λειαίνεται αν χρειάζεται και ενδεχομένως βερνικώνεται.
Η συμβουλή της Fibernium: σε ένα αξεσουάρ, αυτό που μετρά για εσάς δεν είναι το όνομα της διαδικασίας αλλά το ορατό αποτέλεσμα. Μια γνήσια ύφανση άνθρακα έχει βάθος και ανταύγειες που κινούνται όταν γέρνετε το αντικείμενο· ένα τυπωμένο μοτίβο μένει επίπεδο. Κοιτάξτε το αντικείμενο κάτω από πλάγιο φως πριν αποφασίσετε.
Ο σφυρήλατος άνθρακας κατασκευάζεται με τον ίδιο τρόπο;
Η ίνα είναι η ίδια: βγαίνει από τους ίδιους φούρνους. Αυτό που αλλάζει είναι η μορφοποίηση. Αντί για ύφασμα με τακτικά ευθυγραμμισμένες δέσμες, ο σφυρήλατος άνθρακας χρησιμοποιεί κοντές ίνες ή θραύσματα τοποθετημένα τυχαία, αναμεμειγμένα με ρητίνη και πρεσαρισμένα σε καλούπι. Το μαρμαρόμορφο μοτίβο προκύπτει από αυτή την τυχαία διάταξη, οπότε δεν υπάρχουν δύο ίδια κομμάτια. Τις διαφορές σε εμφάνιση και χρήση τις αναλύουμε στο άρθρο μας σφυρήλατος άνθρακας ή υφαντές ίνες άνθρακα.
Για την ιστορία του άνθρακα, από τις πίστες έως τα καθημερινά αντικείμενα, διαβάστε το από την πίστα στην τσέπη σας.
Το άρθρο αυτό περιγράφει τη γενική βιομηχανική διαδικασία. Στις σελίδες των προϊόντων μας περιγράφουμε το υλικό κάθε προϊόντος: το FIBRE είναι γνήσια πλάκα από υφαντές ίνες άνθρακα, τα FORGE και BRUTE είναι από γνήσιο σφυρήλατο άνθρακα, το MAILLE συνδυάζει άνθρακα και αραμίδιο. Τα φινιρίσματα GIVRE και HYBRIDE, της σειράς «Style carbone», είναι από υαλοβάμβακα και όχι από άνθρακα. Πού θα βρείτε αυτά τα υλικά:
- Θήκες από υφαντές ίνες άνθρακα
- Θήκες από σφυρήλατο άνθρακα
- Θήκες από χρωματιστό άνθρακα
- Κλιπ χαρτονομισμάτων από άνθρακα
Συχνές ερωτήσεις
Οι ίνες άνθρακα είναι καθαρός άνθρακας;
Σχεδόν. Σύμφωνα με το μάθημα του NPTEL, οι ίνες υψηλής αντοχής περιέχουν 92 έως 96 % άνθρακα και οι ίνες υψηλού μέτρου ελαστικότητας περίπου 99 %. Ένα τελικό εξάρτημα όμως είναι σύνθετο υλικό: περιέχει και ρητίνη.
Γιατί η παραγωγή ινών άνθρακα είναι ακριβή;
Η διαδικασία περιλαμβάνει διαδοχικούς φούρνους υψηλής θερμοκρασίας, σε αδρανές αέριο, με αργή σταθεροποίηση. Περίπου το μισό της μάζας του πρόδρομου PAN χάνεται στην πορεία. Έπειτα απαιτούνται ακόμη ύφανση, εμποτισμός, μορφοποίηση και σκλήρυνση.
Τι σημαίνει 3K σε ένα ύφασμα άνθρακα;
Ότι κάθε δέσμη του υφάσματος συγκεντρώνει 3.000 ίνες. Μια δέσμη 12K περιέχει 12.000. Ο αριθμός δείχνει πόσο λεπτή είναι η ύφανση, όχι την ποιότητα της ίνας.
Τι είναι το αυτόκλειστο;
Ένα θερμαινόμενο δοχείο υπό πίεση, μέσα στο οποίο σκληραίνουν τα σύνθετα εξαρτήματα που έχουν τοποθετηθεί υπό κενό. Η επιπλέον πίεση συμπιέζει καλύτερα τις στρώσεις και μειώνει τις φυσαλίδες, κάτι χρήσιμο κυρίως για παχιά εξαρτήματα ή εξαρτήματα με υψηλή περιεκτικότητα σε ίνες.
Είναι αυτή η διαδικασία των θηκών Fibernium;
Το άρθρο αυτό περιγράφει τη γενική παραγωγή ινών άνθρακα και σύνθετων υλικών. Οι σελίδες προϊόντων αναφέρουν το υλικό κάθε θήκης· δεν περιγράφουν τη βιομηχανική διαδικασία, γι’ αυτό δεν ισχυριζόμαστε τίποτα σχετικά εδώ.