De productie van koolstofvezel begint zelden met koolstof: meestal vertrekt men van een garen van acrylpolymeer, polyacrylonitril (PAN), dat eerst in lucht wordt verhit tot ongeveer 180 à 300 °C en daarna zonder zuurstof tot meer dan 1.000 °C. Het garen verliest bijna alles wat geen koolstof is en wordt een koolstoffilament. Deze filamenten worden vervolgens gebundeld tot rovings, geweven, met hars geïmpregneerd en in een mal uitgehard. Hieronder elke stap, eenvoudig uitgelegd.
Het gekruiste motief op een hoesje van geweven koolstofvezel is het zichtbare resultaat van deze hele keten: duizenden filamenten gebundeld tot rovings, verweven en daarna vastgelegd in een transparante hars.
In het kort
- De meeste koolstofvezels ontstaan uit een PAN-garen, dat in lucht wordt gestabiliseerd en daarna onder inert gas wordt gecarboniseerd.
- De carbonisatietemperatuur bepaalt het vezeltype: hoge sterkte rond 1.200–1.400 °C, hoge modulus tot 3.000 °C.
- Een stijf onderdeel ontstaat pas met hars: weefsel of prepreg, een mal en daarna uitharden onder vacuüm of in een autoclaaf.
Waarvan wordt koolstofvezel gemaakt?
Zuivere koolstof kan niet worden gesponnen: het smelt niet bij omgevingsdruk en lost niet op. Om een koolstoffilament te krijgen, maakt men dus eerst een filament van een ander materiaal, de precursor, en verwijdert men daarna met warmte alles wat geen koolstof is, zonder dat het garen zijn vorm verliest.
In de technische literatuur worden drie precursors beschreven: polyacrylonitril (PAN), viscosevezels (rayon) en pek, een residu van aardolie of steenkool. Dit dossier volgt PAN, de route die wordt beschreven voor vezels met hoge sterkte en hoge modulus, en die een goed koolstofrendement biedt: volgens de cursus van het Indian Institute of Technology op NPTEL geven PAN-precursors een koolstofrendement van 50 tot 55 %. Met andere woorden: ongeveer de helft van de massa van het uitgangsgaren verdwijnt tijdens de productie als gas.
PAN is een polymeer dat lijkt op dat van acryltextiel. Het wordt gesponnen tot duizenden doorlopende filamenten, die worden gerekt om de lange moleculen in de lengterichting van het garen uit te lijnen. Die uitlijning is belangrijk: ze geeft de koolstofvezel later haar stijfheid in de lengte.
Hoe wordt een acrylgaren koolstof?
De omzetting verloopt continu: de rovings lopen door een reeks ovens met oplopende temperaturen. Er zijn drie stappen.
1. Stabilisatie (of oxidatie)
Het PAN-garen wordt eerst in lucht verhit, tot ongeveer 180 à 300 °C. De moleculen herschikken zich en binden zuurstof: het garen wordt zwart en vooral onsmeltbaar. Zonder deze stap zou het in de volgende ovens smelten of verbranden. De reactie geeft warmte af, dus de temperatuur moet langzaam stijgen om een op hol slaande reactie te voorkomen.
2. Carbonisatie
Het gestabiliseerde garen gaat daarna ovens in die gevuld zijn met inert gas, zonder zuurstof: het kan dus niet verbranden. Dezelfde NPTEL-cursus beschrijft twee zones: tot 600 °C een zeer geleidelijke opwarming (minder dan 5 °C per minuut), daarna van 600 tot 1.300 °C, waar sneller kan worden verwarmd. Waterstof, stikstof en zuurstof ontsnappen als gas, en de overgebleven koolstofatomen ordenen zich in lagen die lijken op die van grafiet.
3. Grafitisatie (voor sommige vezels)
Voor nog stijvere vezels wordt de temperatuur opgedreven tot ongeveer 3.000 °C, onder spanning en nog steeds onder inert gas. Boven 2.000 °C wordt geen stikstof meer als beschermgas gebruikt, omdat het met de koolstof zou reageren: men gebruikt andere inerte gassen.
De eindtemperatuur bepaalt het verkregen vezeltype:
| Vezeltype | Behandelingstemperatuur | Koolstofgehalte |
|---|---|---|
| Hoge sterkte | 1.200 tot 1.400 °C | 92 tot 96 % |
| Hoge modulus | 1.800 tot 2.500 °C | ongeveer 99 % |
| Zeer hoge modulus | 2.800 tot 3.000 °C | ongeveer 99 % |
Bron: NPTEL, ‘Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors’. Hoe stijver de vezel (‘hoge modulus’), hoe meer energie ze vraagt, wat het prijsverschil tussen de kwaliteiten deels verklaart.
Waarom wordt de vezel oppervlaktebehandeld en gesized?
Net uit de ovens is koolstofvezel erg glad en chemisch weinig reactief. Toch heeft ze pas nut als ze in een hars is verankerd. Twee bewerkingen bereiden die hechting voor.
De oppervlaktebehandeling. De Japanse fabrikant Toray legt in zijn selectiegids voor koolstofvezels uit dat deze behandeling ‘zuurstofhoudende functionele groepen toevoegt en het vezeloppervlak licht etst’. Zo hecht de hars beter aan het filament.
De sizing. Daarna wordt een zeer dun beschermlaagje aangebracht, de sizing (of schlichte), gekozen om compatibel te zijn met de hars die later wordt gebruikt: epoxy, polyester, vinylester… De sizing beschermt de filamenten ook tijdens het weven. Toray verduidelijkt dat een lichte sizing de roving makkelijker laat spreiden, terwijl een zwaardere sizing de vezel beter beschermt bij veeleisende behandeling.
Ten slotte wordt de vezel op spoelen gewikkeld. In dit stadium is het nog maar een zwart, soepel garen dat je kunt buigen: de stijfheid komt van de hars.
Wat betekenen 3K, 12K en ‘keper’?
Van filamenten naar rovings
Een koolstofroving (ook ‘tow’ genoemd) bundelt duizenden parallelle filamenten. Het getal gevolgd door K geeft hun aantal in duizenden: een 3K-roving telt 3.000 filamenten, een 12K-roving 12.000. De gids van Toray noemt bijvoorbeeld zijn T300-vezel in 1.000, 3.000 en 6.000 filamenten per roving, en rekent rovings van 1.000 tot 6.000 filamenten tot de ‘kleine rovings’; standaardrovings uit de Verenigde Staten tellen 12.000, 24.000 of 36.000 filamenten.
Kleine rovings geven een fijn, regelmatig weefsel, het weefsel dat u op zichtbare onderdelen ziet. Grote rovings lenen zich meer voor industriële onderdelen, waar het motief zelden zichtbaar blijft.
Van rovings naar weefsel
De rovings worden daarna op weefgetouwen geweven, zoals textiel. Het document ‘Prepreg Technology’ van Hexcel, fabrikant van composieten voor de luchtvaart, beschrijft de belangrijkste bindingen:
- Linnenbinding (plain): een keer over, een keer onder, als een dambord. Een stabiel weefsel, maar het volgt gebogen vormen slecht.
- Keperbinding (twill, als 2/1, 3/1 of 2/2): elke roving gaat over twee of drie andere, wat de diagonale lijnen geeft die typisch zijn voor carbon. Een gemiddeld compromis tussen stabiliteit en het volgen van rondingen.
- Satijnbinding: zeer weinig kruisingen, een soepel weefsel dat complexe vormen goed volgt.
Er bestaan ook unidirectionele lagen, waarin alle vezels in dezelfde richting lopen, gebruikt wanneer een onderdeel vooral in één richting wordt belast. Het ‘klassieke’ carbonmotief, dat van uitzicht verandert met het licht, is meestal een keperbinding. Dat is trouwens een van de aanwijzingen in onze gids om echte koolstofvezel van een imitatie te onderscheiden.
Hoe wordt het weefsel een stijf onderdeel?
Een koolstofweefsel alleen is soepel. Voor een onderdeel combineert men het met een hars (meestal epoxy) die na uitharding de vezels op hun plaats houdt en de krachten op hen overbrengt. Die combinatie van vezel en hars noemt men een composiet.
Prepreg
In de industrie wordt het weefsel vaak al geïmpregneerd geleverd met een precieze hoeveelheid hars: dat is prepreg. Hexcel geeft aan dat het in de vriezer wordt bewaard bij −18 °C, doorgaans 12 maanden, en dat een rol tot 48 uur nodig kan hebben om vóór het openen op kamertemperatuur te komen. Volgens hetzelfde document halen koolstofprepregcomposieten ongeveer 60 % vezelvolume.
Opbouw, vacuümzak en uitharding
De prepreglagen worden op maat gesneden en in een mal op elkaar gelegd, soms met afwisselende vezeloriëntatie: dat is het lamineren. Het geheel wordt bedekt met technische folies en een vacuümzak, waarna de lucht wordt weggezogen. Het vacuüm drukt de lagen tegen elkaar met een druk van hoogstens 1 bar, en het onderdeel wordt in een oven uitgehard. Voor de meest veeleisende onderdelen vervangt men de oven door een autoclaaf, een drukvat dat extra druk toevoegt: het schema van Hexcel toont drukken van 1 tot 10 bar.
Epoxyharsen voor prepreg harden doorgaans uit bij 120 °C of 180 °C. Hexcel koppelt aan de eerste een gebruikstemperatuur van ongeveer 100 °C, aan de tweede 130 tot 155 °C. Na afkoelen en ontvormen wordt het onderdeel bijgesneden, zo nodig geschuurd en eventueel gevernist.
Het advies van Fibernium: bij een accessoire telt voor u niet de naam van het procedé, maar het zichtbare resultaat. Een echt koolstofweefsel toont diepte en reflecties die bewegen wanneer u het voorwerp kantelt; een gedrukt motief blijft vlak. Bekijk het stuk onder strijklicht voordat u beslist.
Wordt gesmeed carbon op dezelfde manier gemaakt?
De vezel zelf is dezelfde: ze komt uit dezelfde ovens. Wat verandert, is het vormgeven. In plaats van een weefsel met netjes uitgelijnde rovings gebruikt gesmeed carbon korte vezels of fragmenten in willekeurige ligging, vermengd met hars en in een mal geperst. Het gemarmerde motief ontstaat uit die willekeurige schikking, zodat geen twee stukken identiek zijn. De verschillen in uitzicht en gebruik lichten we toe in ons artikel gesmeed carbon of geweven koolstofvezel.
Voor de geschiedenis van carbon, van het circuit tot alledaagse voorwerpen, leest u van het circuit naar uw broekzak.
Dit dossier beschrijft het algemene procedé van de industrie. Op onze productpagina's beschrijven we het materiaal van elk product: FIBRE is een echte plaat geweven koolstofvezel, FORGE en BRUTE zijn van echt gesmeed carbon, MAILLE combineert carbon en aramide. De afwerkingen GIVRE en HYBRIDE, uit de lijn ‘Style carbone’, zijn van glasvezel en niet van carbon. Hier vindt u deze materialen:
- Hoesjes van geweven koolstofvezel
- Hoesjes van gesmeed carbon
- Hoesjes van gekleurd carbon
- Geldclips van carbon
Veelgestelde vragen
Is koolstofvezel zuivere koolstof?
Bijna. Volgens de NPTEL-cursus bevatten vezels met hoge sterkte 92 tot 96 % koolstof en vezels met hoge modulus ongeveer 99 %. Een afgewerkt onderdeel is echter een composiet: het bevat ook hars.
Waarom is koolstofvezel duur om te produceren?
Het procedé schakelt meerdere ovens op hoge temperatuur na elkaar, onder inert gas, met een trage stabilisatie. Ongeveer de helft van de massa van de PAN-precursor gaat onderweg verloren. Daarna moet er nog worden geweven, geïmpregneerd, gevormd en uitgehard.
Wat betekent 3K op een koolstofweefsel?
Dat elke roving van het weefsel 3.000 filamenten bundelt. Een 12K-roving bevat er 12.000. Het getal zegt iets over de fijnheid van het weefsel, niet over de kwaliteit van de vezel.
Wat is een autoclaaf?
Een verwarmd drukvat waarin composietonderdelen onder vacuüm worden uitgehard. De extra druk perst de lagen beter samen en vermindert luchtbellen, wat vooral nuttig is bij dikke onderdelen of onderdelen met veel vezels.
Is dit het procedé van de Fibernium-hoesjes?
Dit dossier beschrijft de algemene productie van koolstofvezel en composieten. De productpagina's vermelden het materiaal van elk hoesje; ze beschrijven het industriële procedé niet, dus doen we daar hier geen uitspraak over.