Anglies pluošto gamyba retai prasideda nuo anglies: dažniausiai pradedama nuo akrilinio polimero – poliakrilnitrilo (PAN) – siūlo, kuris pirmiausia kaitinamas ore iki maždaug 180–300 °C, o paskui be deguonies iki daugiau nei 1000 °C. Siūlas praranda beveik viską, kas nėra anglis, ir tampa anglies gija. Gijos vėliau sujungiamos į ryšulius, audžiamos, impregnuojamos derva ir kietinamos formoje. Štai kiekvienas etapas, paaiškintas paprastai.
Susikryžiuojantis raštas, kurį matote ant austo anglies pluošto dėklo, yra matomas visos šios grandinės rezultatas: tūkstančiai gijų, sujungtų į ryšulius, supintų ir užfiksuotų skaidrioje dervoje.
Trumpai
- Dauguma anglies pluoštų gaminami iš PAN siūlo, kuris stabilizuojamas ore, o paskui karbonizuojamas inertinėse dujose.
- Karbonizacijos temperatūra lemia pluošto tipą: didelio stiprio – apie 1200–1400 °C, didelio modulio – iki 3000 °C.
- Standi detalė atsiranda tik su derva: audinys arba prepregas, forma, o paskui kietinimas vakuume arba autoklave.
Iš ko gaminamas anglies pluoštas?
Grynos anglies negalima verpti: esant įprastam slėgiui ji nesilydo ir netirpsta. Todėl, norėdami gauti anglies giją, pirmiausia pagamina giją iš kitos medžiagos, vadinamosios pirmtakės (prekursoriaus), o paskui karščiu pašalina viską, kas nėra anglis, siūlui neprarandant formos.
Techninėje literatūroje aprašomi trys pirmtakai: poliakrilnitrilas (PAN), viskozės pluoštas (dirbtinis šilkas) ir pikis – naftos ar akmens anglies liekana. Šiame straipsnyje nagrinėjamas PAN – kelias, aprašytas didelio stiprio ir didelio modulio pluoštams, duodantis gerą anglies išeigą: pasak Indian Institute of Technology kurso, paskelbto NPTEL, PAN pirmtakai duoda 50–55 % anglies išeigą. Kitaip tariant, maždaug pusė pradinio siūlo masės gamybos metu pasišalina dujų pavidalu.
PAN yra polimeras, artimas akrilinių tekstilės gaminių polimerui. Iš jo verpiama tūkstančiai ilgų gijų, kurios tempiamos, kad ilgos molekulės išsidėstytų išilgai siūlo ašies. Šis išsidėstymas svarbus: bėtent jis vėliau suteiks anglies pluoštui standumą išilgine kryptimi.
Kaip akrilinis siūlas virsta anglimi?
Virsmas vyksta nepertraukiamai: ryšuliai keliauja per krosnių seką su didėjančia temperatūra. Išskiriami trys etapai.
1. Stabilizavimas (arba oksidacija)
PAN siūlas pirmiausia kaitinamas ore, maždaug 180–300 °C temperatūroje. Molekulės persitvarko ir prisijungia deguonį: siūlas pajuoduoja ir, svarbiausia, tampa nelydus. Be šio etapo jis išsilydytų arba sudegtų kitose krosnyse. Reakcija išskiria šilumą, todėl temperatūra turi kilti lėtai, kad reakcija neimtų nevaldomai spartėti.
2. Karbonizacija
Stabilizuotas siūlas tada patenka į krosnis, pripildytas inertinių dujų, be deguonies: todėl jis negali sudegti. Tas pats NPTEL kursas aprašo dvi zonas: iki 600 °C – labai lėtas kaitinimas (mažiau nei 5 °C per minutę), o paskui nuo 600 iki 1300 °C, kur kaitinti galima greičiau. Vandenilis, azotas ir deguonis pasišalina dujų pavidalu, o likusieji anglies atomai išsirikiuoja į sluoksnius, panašius į grafito.
3. Grafitizacija (kai kuriems pluoštams)
Dar standesniems pluoštams gauti temperatūra keliama iki maždaug 3000 °C, esant įtempimui ir vis dar inertinėse dujose. Virš 2000 °C azotas nebenaudojamas kaip apsauginės dujos, nes jis reaguotų su anglimi: naudojamos kitos inertinės dujos.
Galutinė temperatūra lemia gaunamo pluošto tipą:
| Pluošto tipas | Apdorojimo temperatūra | Anglies kiekis |
|---|---|---|
| Didelio stiprio | 1200–1400 °C | 92–96 % |
| Didelio modulio | 1800–2500 °C | apie 99 % |
| Labai didelio modulio | 2800–3000 °C | apie 99 % |
Šaltinis: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors“. Kuo standesnis pluoštas („didelio modulio“), tuo daugiau energijos jam reikia – tai iš dalies paaiškina kainų skirtumą tarp rūšių.
Kodėl pluošto paviršius apdorojamas ir padengiamas?
Išėjęs iš krosnių, anglies pluoštas yra labai lygus ir chemiškai mažai reaktyvus. Tačiau jis naudingas tik tada, kai yra surištas su derva. Šį ryšį paruošia dvi operacijos.
Paviršiaus apdorojimas. Japonijos gamintojas Toray savo anglies pluošto pasirinkimo vadove paaiškina, kad šis apdorojimas „prideda deguonies turinčių funkcinių grupių ir šiek tiek ėsdina pluošto paviršių“. Taip derva geriau prikimba prie gijos.
Apsauginis sluoksnis (sizing). Paskui užtepamas labai plonas apsauginis sluoksnis, vadinamasis sizing, parenkamas taip, kad būtų suderinamas su naudojama derva: epoksidine, poliesterine, vinilesterine… Jis taip pat apsaugo gijas audimo metu. Toray patikslina, kad plonesnis sluoksnis palengvina ryšulio išskleidimą, o storesnis geriau apsaugo pluoštą sudėtingo apdorojimo metu.
Galiausiai pluoštas suvyniojamas ant ričių. Šiame etape tai dar tik juodas, lankstus siūlas: standumą jam suteiks derva.
Ką reiškia 3K, 12K ir „ruožinis audimas“?
Nuo gijų iki ryšulių
Anglies ryšulys (angl. „tow“) jungia tūkstančius lygiagrečių gijų. Skaičius su raide K nurodo jų kiekį tūkstančiais: 3K ryšulyje yra 3000 gijų, 12K ryšulyje – 12 000. Toray vadove, pavyzdžiui, nurodomas pluoštas T300 su 1000, 3000 ir 6000 gijų ryšulyje, o ryšuliai nuo 1000 iki 6000 gijų priskiriami „mažiems ryšuliams“; JAV gaminami standartiniai ryšuliai turi 12 000, 24 000 arba 36 000 gijų.
Maži ryšuliai duoda smulkų ir tolygų audinį – tą, kurį matote ant matomų detalių. Dideli ryšuliai labiau tinka pramoninėms detalėms, kurių raštas retai lieka matomas.
Nuo ryšulių iki audinio
Ryšuliai vėliau audžiami staklėse, kaip tekstilė. Aviacijai kompozitus gaminančios bendrovės Hexcel dokumente „Prepreg Technology“ aprašomi pagrindiniai audimo būdai:
- Drobinis (plain): vienas viršuje, vienas apačioje, kaip šachmatų lenta. Stabilus audinys, bet prastai prisitaiko prie lenktų formų.
- Ruožinis (twill, 2/1, 3/1 arba 2/2): kiekvienas ryšulys eina per du ar tris kitus, taip išryškindamas įstrižas linijas, būdingas anglies pluoštui. Vidutinis kompromisas tarp stabilumo ir gebėjimo sekti lenkimus.
- Atlasinis (satin): labai mažai persipynimų, lankstus audinys, gerai prisitaikantis prie sudėtingų formų.
Taip pat yra vienkryptčių sluoksnių, kuriuose visi pluoštai eina ta pačia kryptimi; jie naudojami, kai detalė daugiausia apkraunama viena kryptimi. „Klasikinis“ anglies pluošto raštas, keičiantis išvaizdą priklausomai nuo šviesos, dažniausiai yra ruožinis audimas. Tai, beje, vienas iš požymių, aprašytų mūsų vadove, kaip atskirti tikrą anglies pluoštą nuo imitacijos.
Kaip audinys tampa standžia detale?
Pats anglies audinys yra lankstus. Kad gautumėte detalę, jis derinamas su derva (dažniausiai epoksidine), kuri sukietėjusi išlaiko pluoštus vietoje ir perduoda jiems apkrovas. Ši pluošto ir dervos pora vadinama kompozitu.
Prepregas
Pramonėje audinys dažnai tiekiamas jau impregnuotas tiksliu dervos kiekiu: tai yra prepregas. Hexcel nurodo, kad jis laikomas šaldiklyje −18 °C temperatūroje, paprastai 12 mėnesių, ir kad ritiniui gali prireikti iki 48 valandų, kol prieš atidarant jis pasieks kambario temperatūrą. Pasak to paties dokumento, anglies prepregų kompozitai pasiekia apie 60 % tūrinio pluošto kiekio.
Sluoksnių klojimas, vakuuminis maišas ir kietinimas
Prepregų sluoksniai supjaustomi ir klojami vienas ant kito formoje, kartais keičiant pluoštų kryptį: tai yra laminavimas. Visa tai uždengiama techninėmis plėvelėmis ir maišu, o paskui išsiurbiamas oras. Vakuumas suspaudžia sluoksnius ne didesniu kaip 1 baro slėgiu, o detalė kietinama krosnyje. Reikliausioms detalėms krosnis pakeičiama autoklavu – talpa, kuri prideda slėgio: Hexcel schemoje rodomas 1–10 barų slėgis.
Prepregų epoksidinės dervos paprastai kietinamos 120 °C arba 180 °C temperatūroje. Hexcel pirmajai priskiria maždaug 100 °C darbinę temperatūrą, antrajai – 130–155 °C. Atvėsusi ir išimta iš formos detalė apipjaustoma, prireikus šlifuojama ir, jei reikia, lakuojama.
Fibernium patarimas: renkantis aksesuarą, Jums svarbu ne proceso pavadinimas, o matomas rezultatas. Tikras anglies pluošto audinys turi gylį ir atspindžius, kurie juda, kai pakreipiate daiktą; atspausdintas raštas lieka plokščias. Prieš apsispręsdami apžiūrėkite daiktą šonėje krentančioje šviesoje.
Ar kaltinė anglis gaminama taip pat?
Pats pluoštas tas pats: jis išeina iš tų pačių krosnių. Skiriasi formavimas. Vietoj audinio su tvarkingai išdėstytais ryšuliais kaltinė anglis naudoja trumpus pluoštus arba fragmentus, išdėstytus atsitiktinai, sumaišytus su derva ir supresuotus formoje. Marmurinis raštas atsiranda dėl šio atsitiktinio išdėstymo, todėl nėra dviejų vienodų gaminių. Išvaizdos ir naudojimo skirtumus išsamiai aprašome straipsnyje kaltinė anglis ar austas anglies pluoštas.
Anglies pluošto istoriją – nuo lenktynių trasų iki kasdienių daiktų – galite perskaityti straipsnyje nuo trasos iki Jūsų kišenės.
Šiame straipsnyje aprašomas bendras pramoninis procesas. Mūsų produktų puslapiuose aprašome kiekvieno gaminio medžiagą: FIBRE – tikra austo anglies pluošto plokštė, FORGE ir BRUTE – iš tikros kaltinės anglies, MAILLE derina anglies ir aramido pluoštus. „Style carbone“ serijos GIVRE ir HYBRIDE variantai pagaminti iš stiklo pluošto, o ne iš anglies. Kur rasti šias medžiagas:
- Austo anglies pluošto dėklai
- Kaltinės anglies dėklai
- Spalvotos anglies dėklai
- Anglies pluošto segtukai banknotams
Dažnai užduodami klausimai
Ar anglies pluoštas yra gryna anglis?
Beveik. Pasak NPTEL kurso, didelio stiprio pluoštuose yra 92–96 % anglies, o didelio modulio – apie 99 %. Tačiau gatava detalė yra kompozitas: joje yra ir dervos.
Kodėl anglies pluošto gamyba brangi?
Procesą sudaro kelios aukštos temperatūros krosnys inertinėse dujose ir lėtas stabilizavimas. Maždaug pusė PAN pirmtako masės prarandama pakeliui. Vėliau dar reikia austi, impregnuoti, formuoti ir kietinti.
Ką reiškia 3K ant anglies audinio?
Kad kiekvienas audinio ryšulys jungia 3000 gijų. 12K ryšulyje jų yra 12 000. Skaičius parodo audimo smulkumą, o ne pluošto kokybę.
Kas yra autoklavas?
Šildoma slėginė talpa, kurioje kietinamos į vakuuminius maišus sudėtos kompozitinės detalės. Papildomas slėgis geriau suspaudžia sluoksnius ir sumažina burbulių – tai ypač naudinga storoms detalėms arba detalėms su dideliu pluošto kiekiu.
Ar taip gaminami Fibernium dėklai?
Šiame straipsnyje aprašoma bendra anglies pluošto ir kompozitų gamyba. Produktų puslapiuose nurodoma kiekvieno dėklo medžiaga; pramoninis procesas juose neaprašomas, todėl čia apie jį nieko netvirtiname.