Proizvodnja ugljičnih vlakana rijetko počinje ugljikom: najčešće se polazi od pređe od akrilnog polimera, poliakrilonitrila (PAN), koja se najprije zagrijava na zraku na približno 180–300 °C, a zatim bez kisika na više od 1000 °C. Pređa gubi gotovo sve što nije ugljik i postaje ugljični filament. Filamenti se zatim spajaju u snopove, tkaju, natapaju smolom i očvršćuju u kalupu. Evo svakog koraka, jednostavno objašnjenog.
Uzorak križanja koji vidite na maski od tkanih ugljičnih vlakana vidljiv je rezultat cijelog tog lanca: tisuće filamenata spojenih u snopove, isprepletenih i zatim učvršćenih u prozirnoj smoli.
Ukratko
- Većina ugljičnih vlakana nastaje od pređe PAN, stabilizirane na zraku i zatim karbonizirane u inertnom plinu.
- Temperatura karbonizacije određuje vrstu vlakna: visoka čvrstoća na oko 1200–1400 °C, visoki modul do 3000 °C.
- Kruti dio nastaje tek sa smolom: tkanina ili prepreg, kalup, a zatim očvršćivanje pod vakuumom ili u autoklavu.
Od čega se proizvode ugljična vlakna?
Čisti ugljik ne može se presti: pri normalnom tlaku ne tali se i ne otapa. Da bi se dobio ugljični filament, najprije se izrađuje filament od drugog materijala, takozvanog prekursora, a zatim se toplinom uklanja sve što nije ugljik, a da pređa ne izgubi oblik.
Stručna literatura opisuje tri prekursora: poliakrilonitril (PAN), viskozna vlakna (rajon) i smolu (pak), ostatak nafte ili ugljena. Ovaj članak prati PAN, put opisan za vlakna visoke čvrstoće i visokog modula, koji daje dobar prinos ugljika: prema tečaju Indian Institute of Technology objavljenom na NPTEL-u, prekursori PAN daju prinos ugljika od 50 do 55 %. Drugim riječima, otprilike polovica mase polazne pređe tijekom proizvodnje izlazi u obliku plinova.
PAN je polimer sličan onome u akrilnom tekstilu. Prede se u tisuće beskonačnih filamenata koji se rastežu kako bi se njegove duge molekule poravnale uzduž osi pređe. To poravnanje je važno: upravo ono kasnije daje ugljičnom vlaknu krutost u uzdužnom smjeru.
Kako akrilna pređa postaje ugljik?
Pretvorba se odvija kontinuirano: snopovi prolaze kroz niz peći s rastućom temperaturom. Razlikuju se tri faze.
1. Stabilizacija (ili oksidacija)
Pređa PAN najprije se zagrijava na zraku, na približno 180–300 °C. Molekule se preslaguju i vežu kisik: pređa pocrni i, prije svega, postaje netaljiva. Bez te faze rastalila bi se ili izgorjela u sljedećim pećima. Reakcija oslobađa toplinu, pa temperatura mora rasti polako kako reakcija ne bi izmaknula kontroli.
2. Karbonizacija
Stabilizirana pređa zatim ulazi u peći ispunjene inertnim plinom, bez kisika: stoga ne može izgorjeti. Isti tečaj NPTEL-a opisuje dvije zone: do 600 °C vrlo blago zagrijavanje (manje od 5 °C u minuti), a zatim od 600 do 1300 °C, gdje zagrijavanje može biti brže. Vodik, dušik i kisik izlaze u obliku plinova, a preostali atomi ugljika slažu se u slojeve slične slojevima grafita.
3. Grafitizacija (za neka vlakna)
Za još kruća vlakna temperatura se podiže do oko 3000 °C, pod napetosti i i dalje u inertnom plinu. Iznad 2000 °C dušik se više ne koristi kao zaštitni plin jer bi reagirao s ugljikom: koriste se drugi inertni plinovi.
Konačna temperatura određuje vrstu dobivenog vlakna:
| Vrsta vlakna | Temperatura obrade | Udio ugljika |
|---|---|---|
| Visoka čvrstoća | 1200 do 1400 °C | 92 do 96 % |
| Visoki modul | 1800 do 2500 °C | oko 99 % |
| Vrlo visoki modul | 2800 do 3000 °C | oko 99 % |
Izvor: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors“. Što je vlakno kruće („visoki modul“), to zahtijeva više energije, što djelomično objašnjava razliku u cijeni među vrstama.
Zašto se vlakno površinski obrađuje i premazuje?
Na izlasku iz peći ugljično vlakno vrlo je glatko i kemijski slabo reaktivno. Ipak, korisno je tek kada je vezano u smolu. Tu vezu pripremaju dvije operacije.
Površinska obrada. Japanski proizvođač Toray u svom vodiču za odabir ugljičnih vlakana objašnjava da ta obrada „dodaje kisikove funkcionalne skupine i blago nagriza površinu vlakna“. Tako smola bolje prianja uz filament.
Zaštitni premaz (sizing). Zatim se nanosi vrlo tanak zaštitni sloj, takozvani sizing, odabran tako da bude kompatibilan sa smolom koja će se koristiti: epoksidnom, poliesterskom, vinilesterskom… Sizing štiti filamente i tijekom tkanja. Toray pojašnjava da tanji sloj olakšava rasprostiranje snopa, dok deblji bolje štiti vlakno pri zahtjevnom rukovanju.
Na kraju se vlakno namata na kalemove. U ovoj fazi to je još uvijek samo crna, savitljiva pređa: krutost će joj dati smola.
Što znače 3K, 12K i „keper“?
Od filamenata do snopova
Ugljični snop (engl. „tow“) okuplja tisuće paralelnih filamenata. Broj uz slovo K označava njihov broj u tisućama: snop 3K ima 3000 filamenata, snop 12K ima ih 12 000. Toray u vodiču navodi, primjerice, svoje vlakno T300 u izvedbama s 1000, 3000 i 6000 filamenata po snopu, a snopove od 1000 do 6000 filamenata svrstava u „male snopove“; standardni snopovi proizvedeni u SAD-u imaju 12 000, 24 000 ili 36 000 filamenata.
Mali snopovi daju finu i pravilnu tkaninu, onu koju vidite na vidljivim dijelovima. Veliki snopovi prikladniji su za industrijske dijelove, kod kojih uzorak rijetko ostaje vidljiv.
Od snopova do tkanine
Snopovi se zatim tkaju na tkaljačkim strojevima, kao tekstil. Dokument „Prepreg Technology“ tvrtke Hexcel, proizvođača kompozita za zrakoplovstvo, opisuje glavne vezove:
- Platneni (plain): jedan iznad, jedan ispod, poput šahovnice. Stabilna tkanina, ali se slabo prilagođava zakrivljenim oblicima.
- Keper (twill, 2/1, 3/1 ili 2/2): svaki snop prelazi preko dva ili tri druga, što stvara kose linije tipične za karbon. Srednji kompromis između stabilnosti i sposobnosti praćenja zakrivljenja.
- Saten: vrlo malo prepletanja, podatna tkanina koja se dobro prilagođava složenim oblicima.
Postoje i jednosmjerni slojevi u kojima sva vlakna idu u istom smjeru; koriste se kada je dio opterećen uglavnom u jednom smjeru. „Klasični“ karbonski uzorak, koji mijenja izgled ovisno o svjetlu, najčešće je keper vez. To je, usput, jedan od znakova opisanih u našem vodiču kako razlikovati prava ugljična vlakna od imitacije.
Kako tkanina postaje kruti dio?
Sama ugljična tkanina je savitljiva. Da bi nastao dio, kombinira se sa smolom (najčešće epoksidnom) koja nakon očvršćivanja drži vlakna na mjestu i na njih prenosi opterećenja. Taj par vlakna i smole naziva se kompozit.
Prepreg
U industriji se tkanina često isporučuje već natopljena točnom količinom smole: to je prepreg. Hexcel navodi da se čuva u zamrzivaču na −18 °C, obično 12 mjeseci, te da rola može trebati do 48 sati da prije otvaranja dosegne sobnu temperaturu. Prema istom dokumentu, ugljični kompoziti od preprega dosežu oko 60 % volumnog udjela vlakana.
Polaganje slojeva, vakuumska vreća i očvršćivanje
Slojevi preprega režu se i polažu jedan na drugi u kalup, ponekad uz izmjeničnu orijentaciju vlakana: to je laminiranje. Cjelina se prekriva tehničkim folijama i vrećom, a zatim se zrak isisava. Vakuum pritiskuje slojeve jedan uz drugi tlakom od najviše 1 bar, a dio se očvršćuje u peći. Za najzahtjevnije dijelove peć se zamjenjuje autoklavom, posudom koja dodaje tlak: shema tvrtke Hexcel prikazuje tlakove od 1 do 10 bara.
Epoksidne smole za prepreg obično očvršćuju na 120 °C ili 180 °C. Hexcel prvoj pripisuje radnu temperaturu od oko 100 °C, a drugoj od 130 do 155 °C. Nakon hlađenja i vađenja iz kalupa dio se obrezuje, po potrebi bruši i eventualno lakira.
Savjet Fiberniuma: kod dodatka za vas nije važno ime postupka, nego vidljiv rezultat. Prava ugljična tkanina ima dubinu i odsjaje koji se miču kada nagnete predmet; otisnuti uzorak ostaje ravan. Prije odluke pogledajte predmet pod kosim svjetlom.
Proizvodi li se kovani karbon na isti način?
Samo vlakno je isto: izlazi iz istih peći. Mijenja se oblikovanje. Umjesto tkanine s uredno poravnanim snopovima, kovani karbon koristi kratka vlakna ili fragmente nasumično raspoređene, pomiješane sa smolom i prešane u kalupu. Mramorni uzorak nastaje iz tog nasumičnog rasporeda, pa nikoja dva komada nisu ista. Razlike u izgledu i namjeni detaljno opisujemo u članku kovani karbon ili tkana ugljična vlakna.
Povijest karbona, od trkaćih staza do svakodnevnih predmeta, pročitajte u članku sa staze u vaš džep.
Ovaj članak opisuje opći industrijski postupak. Na stranicama proizvoda opisujemo materijal svakog proizvoda: FIBRE je prava ploča od tkanih ugljičnih vlakana, FORGE i BRUTE su od pravog kovanog karbona, MAILLE kombinira karbon i aramid. Izvedbe GIVRE i HYBRIDE iz linije „Style carbone“ izrađene su od staklenih vlakana, a ne od karbona. Gdje pronaći te materijale:
- Maske od tkanih ugljičnih vlakana
- Maske od kovanog karbona
- Maske od obojenog karbona
- Kopče za novčanice od karbona
Česta pitanja
Jesu li ugljična vlakna čisti ugljik?
Gotovo. Prema tečaju NPTEL-a, vlakna visoke čvrstoće sadrže od 92 do 96 % ugljika, a vlakna visokog modula oko 99 %. Gotov dio, međutim, kompozit je: sadrži i smolu.
Zašto je proizvodnja ugljičnih vlakana skupa?
Postupak obuhvaća niz visokotemperaturnih peći u inertnom plinu i sporu stabilizaciju. Otprilike polovica mase prekursora PAN gubi se usput. Nakon toga treba još tkati, natapati, oblikovati i očvršćivati.
Što znači 3K na ugljičnoj tkanini?
Da svaki snop tkanine okuplja 3000 filamenata. Snop 12K sadrži ih 12 000. Broj govori o finoći tkanja, a ne o kvaliteti vlakna.
Što je autoklav?
Grijana tlačna posuda u kojoj se očvršćuju kompozitni dijelovi u vakuumskim vrećama. Dodatni tlak bolje stišće slojeve i smanjuje mjehuriće, što je korisno uglavnom kod debelih dijelova ili dijelova s visokim udjelom vlakana.
Je li to postupak koji se koristi za maske Fibernium?
Ovaj članak opisuje opću proizvodnju ugljičnih vlakana i kompozita. Stranice proizvoda navode materijal svake maske; ne opisuju industrijski postupak, pa o njemu ovdje ništa ne tvrdimo.