Produkcja włókna węglowego rzadko zaczyna się od węgla: najczęściej punktem wyjścia jest przędza z polimeru akrylowego, poliakrylonitrylu (PAN), którą najpierw ogrzewa się w powietrzu do ok. 180–300 °C, a potem bez dostępu tlenu do ponad 1000 °C. Przędza traci niemal wszystko, co nie jest węglem, i staje się filamentem węglowym. Filamenty łączy się następnie w rowingi, tka, nasącza żywicą i utwardza w formie. Oto każdy etap, wyjaśniony w prosty sposób.
Skrzyżowany wzór widoczny na etui z tkanego włókna węglowego to widoczny efekt całego tego łańcucha: tysiące filamentów zebranych w rowingi, przeplecionych, a potem utrwalonych w przezroczystej żywicy.
W skrócie
- Większość włókien węglowych powstaje z przędzy PAN, stabilizowanej w powietrzu, a następnie karbonizowanej w gazie obojętnym.
- Temperatura karbonizacji określa rodzaj włókna: wysokowytrzymałe ok. 1200–1400 °C, wysokomodułowe do 3000 °C.
- Sztywny element powstaje dopiero z żywicą: tkanina lub prepreg, forma, a potem utwardzanie pod próżnią lub w autoklawie.
Z czego produkuje się włókno węglowe?
Czystego węgla nie da się prząść: nie topi się pod ciśnieniem atmosferycznym i nie rozpuszcza się. Aby otrzymać filament węglowy, najpierw wytwarza się więc filament z innego materiału, zwanego prekursorem, a następnie za pomocą ciepła usuwa się z niego wszystko, co nie jest węglem, zachowując kształt włókna.
Literatura techniczna opisuje trzy prekursory: poliakrylonitryl (PAN), włókna wiskozowe (sztuczny jedwab) oraz pak, pozostałość z ropy naftowej lub węgla. Ten poradnik opisuje PAN – drogę stosowaną dla włókien wysokowytrzymałych i wysokomodułowych, która daje dobrą wydajność węgla: według kursu Indian Institute of Technology opublikowanego w NPTEL prekursory PAN dają wydajność węgla rzędu 50–55 %. Innymi słowy około połowa masy wyjściowej przędzy ulatnia się w trakcie produkcji w postaci gazów.
PAN to polimer zbliżony do tego, z którego wytwarza się tkaniny akrylowe. Przędzie się go w tysiące ciągłych filamentów, które rozciąga się, aby ułożyć długie cząsteczki wzdłuż osi włókna. To ułożenie ma znaczenie: właśnie ono nada później włóknu węglowemu sztywność wzdłuż jego długości.
Jak przędza akrylowa zamienia się w węgiel?
Przemiana odbywa się w sposób ciągły: rowingi przechodzą przez szereg pieców o rosnącej temperaturze. Wyróżnia się trzy etapy.
1. Stabilizacja (utlenianie)
Przędzę PAN ogrzewa się najpierw w powietrzu, w temperaturze ok. 180–300 °C. Cząsteczki się przegrupowują i wiążą tlen: przędza czernieje i przede wszystkim staje się nietopliwa. Bez tego etapu stopiłaby się lub spłonęła w kolejnych piecach. Reakcja wydziela ciepło, dlatego temperatura musi rosnąć powoli, aby nie doszło do niekontrolowanego przebiegu reakcji.
2. Karbonizacja
Ustabilizowana przędza trafia następnie do pieców wypełnionych gazem obojętnym, bez tlenu – nie może więc się spalić. Ten sam kurs NPTEL opisuje dwie strefy: do 600 °C bardzo łagodne nagrzewanie (poniżej 5 °C na minutę), a następnie od 600 do 1300 °C, gdzie nagrzewanie może być szybsze. Wodór, azot i tlen uchodzą w postaci gazów, a pozostałe atomy węgla układają się w warstwy podobne do warstw grafitu.
3. Grafityzacja (dla niektórych włókien)
Aby uzyskać jeszcze sztywniejsze włókna, temperaturę podnosi się do ok. 3000 °C, pod naprężeniem i nadal w gazie obojętnym. Powyżej 2000 °C nie stosuje się już azotu jako gazu ochronnego, ponieważ reagowałby z węglem: używa się innych gazów obojętnych.
Temperatura końcowa decyduje o rodzaju otrzymanego włókna:
| Rodzaj włókna | Temperatura obróbki | Zawartość węgla |
|---|---|---|
| Wysokowytrzymałe | 1200–1400 °C | 92–96 % |
| Wysokomodułowe | 1800–2500 °C | ok. 99 % |
| Ultrawysokomodułowe | 2800–3000 °C | ok. 99 % |
Źródło: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors”. Im sztywniejsze włókno („wysokomodułowe”), tym więcej energii wymaga, co częściowo tłumaczy różnicę kosztów między gatunkami.
Dlaczego włókno poddaje się obróbce powierzchni i preparacji?
Po wyjściu z pieców włókno węglowe jest bardzo gładkie i mało reaktywne chemicznie. Tymczasem przydaje się dopiero wtedy, gdy jest związane z żywicą. To połączenie przygotowują dwie operacje.
Obróbka powierzchni. Japoński producent Toray wyjaśnia w swoim przewodniku doboru włókien węglowych, że obróbka ta „dodaje tlenowe grupy funkcyjne i lekko trawi powierzchnię włókna”. Dzięki temu żywica lepiej przylega do filamentu.
Preparacja. Następnie nakłada się bardzo cienką warstwę ochronną, preparację (ang. sizing), dobraną tak, by była zgodna z żywicą, która zostanie użyta: epoksydową, poliestrową, winyloestrową… Preparacja chroni też filamenty podczas tkania. Toray precyzuje, że niewielka ilość preparacji ułatwia rozkładanie rowingu, a większa lepiej chroni włókno przy wymagającym przetwarzaniu.
Na koniec włókno nawija się na szpule. Na tym etapie to wciąż tylko czarna, giętka przędza, którą można zgiąć: sztywność nada jej żywica.
Co oznaczają 3K, 12K i „splot skośny”?
Od filamentów do rowingów
Rowing węglowy (ang. „tow”) łączy tysiące równoległych filamentów. Liczba z literą K podaje ich liczbę w tysiącach: rowing 3K ma 3000 filamentów, rowing 12K – 12 000. Przewodnik Toray podaje np. włókno T300 w wersjach 1000, 3000 i 6000 filamentów na rowing, a rowingi od 1000 do 6000 filamentów zalicza do „małych rowingów”; standardowe rowingi produkowane w USA mają 12 000, 24 000 lub 36 000 filamentów.
Małe rowingi dają drobny, regularny splot – ten, który widać na elementach widocznych. Duże rowingi lepiej sprawdzają się w częściach przemysłowych, gdzie wzór rzadko pozostaje widoczny.
Od rowingów do tkaniny
Rowingi tka się następnie na krosnach, jak zwykłą tkaninę. Dokument „Prepreg Technology” firmy Hexcel, producenta kompozytów dla lotnictwa, opisuje główne sploty:
- Płócienny (plain): jeden nad, jeden pod, jak szachownica. Tkanina stabilna, ale słabo dopasowuje się do zakrzywionych kształtów.
- Skośny (twill, 2/1, 3/1 lub 2/2): każdy rowing przechodzi nad dwoma lub trzema innymi, tworząc ukośne linie typowe dla karbonu. Średni kompromis między stabilnością a zdolnością dopasowania do krzywizn.
- Atlasowy (satyna): bardzo mało przeplotów, tkanina miękka, dobrze dopasowująca się do złożonych kształtów.
Istnieją też warstwy jednokierunkowe, w których wszystkie włókna biegną w tym samym kierunku; stosuje się je, gdy element pracuje głównie w jednym kierunku. „Klasyczny” wzór karbonu, który zmienia wygląd zależnie od światła, to najczęściej splot skośny. To zresztą jedna ze wskazówek opisanych w naszym poradniku, jak odróżnić prawdziwe włókno węglowe od imitacji.
Jak tkanina staje się sztywnym elementem?
Sama tkanina węglowa jest giętka. Aby uzyskać element, łączy się ją z żywicą (najczęściej epoksydową), która po utwardzeniu utrzymuje włókna na miejscu i przenosi na nie obciążenia. Taki duet włókna i żywicy nazywa się kompozytem.
Prepreg
W przemyśle tkaninę często dostarcza się już nasączoną ściśle określoną ilością żywicy: to prepreg. Hexcel podaje, że przechowuje się go w zamrażarce w temperaturze −18 °C, zwykle przez 12 miesięcy, a rolka może potrzebować do 48 godzin, by przed otwarciem osiągnąć temperaturę pokojową. Według tego samego dokumentu kompozyty z prepregów węglowych osiągają ok. 60 % objętościowego udziału włókien.
Układanie warstw, worek próżniowy i utwardzanie
Warstwy prepregu docina się i układa jedna na drugiej w formie, czasem zmieniając kierunek włókien: to laminowanie. Całość przykrywa się foliami technicznymi i workiem, po czym odsysa się powietrze. Próżnia dociska warstwy do siebie z ciśnieniem najwyżej 1 bara, a element utwardza się w piecu. W przypadku najbardziej wymagających elementów piec zastępuje się autoklawem, zbiornikiem, który dodaje ciśnienie: schemat Hexcel pokazuje ciśnienia od 1 do 10 barów.
Żywice epoksydowe w prepregach utwardza się zwykle w 120 °C lub 180 °C. Hexcel przypisuje pierwszym temperaturę pracy ok. 100 °C, a drugim 130–155 °C. Po schłodzeniu i wyjęciu z formy element się przycina, w razie potrzeby szlifuje i ewentualnie lakieruje.
Rada Fibernium: w przypadku akcesorium dla Państwa liczy się nie nazwa procesu, lecz widoczny efekt. Prawdziwy splot węglowy ma głębię i refleksy, które poruszają się przy przechylaniu przedmiotu; nadrukowany wzór pozostaje płaski. Prosimy obejrzeć przedmiot w bocznym, padającym świetle przed podjęciem decyzji.
A czy karbon kuty powstaje w ten sam sposób?
Samo włókno jest takie samo: wychodzi z tych samych pieców. Zmienia się formowanie. Zamiast tkaniny z równo ułożonymi rowingami karbon kuty wykorzystuje krótkie włókna lub fragmenty ułożone bezładnie, zmieszane z żywicą i prasowane w formie. Marmurkowy wzór wynika z tego przypadkowego ułożenia, dlatego żadne dwa egzemplarze nie są identyczne. Różnice w wyglądzie i zastosowaniu opisujemy w artykule karbon kuty czy tkane włókno węglowe.
Historię karbonu, od torów wyścigowych po przedmioty codziennego użytku, poznają Państwo w artykule z toru do kieszeni.
Ten poradnik opisuje ogólny proces stosowany w przemyśle. Na kartach produktów opisujemy materiał każdego produktu: FIBRE to prawdziwa płyta z tkanego włókna węglowego, FORGE i BRUTE są z prawdziwego karbonu kutego, MAILLE łączy karbon i aramid. Wykończenia GIVRE i HYBRIDE z linii „Style carbone” są z włókna szklanego, a nie z karbonu. Gdzie znaleźć te materiały:
- Etui z tkanego włókna węglowego
- Etui z karbonu kutego
- Etui z kolorowego karbonu
- Spinacze do banknotów z karbonu
Najczęściej zadawane pytania
Czy włókno węglowe to czysty węgiel?
Prawie. Według kursu NPTEL włókna wysokowytrzymałe zawierają 92–96 % węgla, a wysokomodułowe ok. 99 %. Gotowy element jest natomiast kompozytem: zawiera też żywicę.
Dlaczego produkcja włókna węglowego jest droga?
Proces obejmuje kilka pieców wysokotemperaturowych w gazie obojętnym oraz powolną stabilizację. Około połowa masy prekursora PAN ginie po drodze. Potem trzeba jeszcze tkać, nasączać, formować i utwardzać.
Co oznacza 3K na tkaninie węglowej?
Że każdy rowing tkaniny łączy 3000 filamentów. Rowing 12K zawiera ich 12 000. Liczba mówi o drobności splotu, a nie o jakości włókna.
Czym jest autoklaw?
To podgrzewany zbiornik ciśnieniowy, w którym utwardza się elementy kompozytowe w workach próżniowych. Dodatkowe ciśnienie lepiej dociska warstwy i ogranicza pęcherzyki, co przydaje się głównie przy grubych elementach lub elementach o dużym udziale włókien.
Czy to proces stosowany w etui Fibernium?
Ten poradnik opisuje ogólną produkcję włókna węglowego i kompozytów. Karty produktów podają materiał każdego etui; nie opisują procesu przemysłowego, dlatego nie stawiamy tu żadnych twierdzeń na ten temat.