Výroba uhlíkového vlákna málokedy začína uhlíkom: najčastejšie sa vychádza z priadze z akrylového polyméru, polyakrylonitrilu (PAN), ktorá sa najprv zahrieva na vzduchu na približne 180 – 300 °C a potom bez prístupu kyslíka na viac než 1 000 °C. Priadza stratí takmer všetko, čo nie je uhlík, a stane sa z nej uhlíkový filament. Filamenty sa potom spájajú do káblov, tkajú, nasýtia živicou a vytvrdia vo forme. Tu je každý krok, jednoducho vysvetlený.
Krížový vzor, ktorý vidíte na kryte z tkaného uhlíkového vlákna, je viditeľným výsledkom celého tohto reťazca: tisíce filamentov spojených do káblov, prepletených a potom zafixovaných v priehľadnej živici.
V skratke
- Väčšina uhlíkových vlákien vzniká z priadze PAN, stabilizovanej na vzduchu a potom karbonizovanej v inertnom plyne.
- Teplota karbonizácie určuje typ vlákna: vysokopevnostné okolo 1 200 – 1 400 °C, vysokomodulové až do 3 000 °C.
- Tuhý diel vznikne až so živicou: tkanina alebo prepreg, forma a potom vytvrdzovanie vo vákuu alebo v autokláve.
Z čoho sa uhlíkové vlákno vyrába?
Čistý uhlík sa nedá prásť: pri bežnom tlaku sa netaví a nerozpúšťa. Aby vznikol uhlíkový filament, vyrobí sa preto najprv filament z iného materiálu, takzvaného prekurzora, a z neho sa potom teplom odstráni všetko, čo nie je uhlík, bez toho, aby priadza stratila tvar.
Odborná literatúra opisuje tri prekurzory: polyakrylonitril (PAN), viskózové vlákna (umelý hodváb) a smolu, zvyšok z ropy alebo uhlia. Tento článok sleduje PAN, cestu opísanú pre vysokopevnostné a vysokomodulové vlákna, ktorá ponúka dobrý výťažok uhlíka: podľa kurzu Indian Institute of Technology zverejneného na NPTEL dávajú prekurzory PAN výťažok uhlíka 50 až 55 %. Inými slovami, zhruba polovica hmotnosti východiskovej priadze počas výroby unikne vo forme plynov.
PAN je polymér blízky tomu, z ktorého sa vyrábajú akrylové textilé. Zvlákňuje sa na tisíce nekonečných filamentov, ktoré sa naťahujú, aby sa jeho dlhé molekuly zoradili v osi priadze. Toto usporiadanie je dôležité: práve ono neskôr dá uhlíkovému vláknu tuhosť v pozdĺžnom smere.
Ako sa z akrylovej priadze stane uhlík?
Premena prebieha nepretržite: káble prechádzajú radom pecí so stúpajúcou teplotou. Rozlišujeme tri fázy.
1. Stabilizácia (čiže oxidácia)
Priadza PAN sa najprv zahrieva na vzduchu, na približne 180 – 300 °C. Molekuly sa preskupia a viažu kyslík: priadza sčernie a predovšetkým sa stane netaviteľnou. Bez tejto fázy by sa v nasledujúcich peciach roztavila alebo zhorela. Reakcia uvoľňuje teplo, preto musí teplota stúpať pomaly, aby sa reakcia nevymkla spod kontroly.
2. Karbonizácia
Stabilizovaná priadza potom vstupuje do pecí naplnených inertným plynom, bez kyslíka: nemôže teda horieť. Ten istý kurz NPTEL opisuje dve zóny: do 600 °C veľmi pozvoľný ohrev (menej než 5 °C za minútu), potom od 600 do 1 300 °C, kde môže byť ohrev rýchlejší. Vodík, dusík a kyslík unikajú vo forme plynov a zostávajúce atómy uhlíka sa usporiadajú do vrstiev podobných vrstvám grafitu.
3. Grafitizácia (pri niektorých vláknach)
Pre ešte tuhšie vlákna sa teplota zvyšuje až na približne 3 000 °C, pod ťahom a stále v inertnom plyne. Nad 2 000 °C sa ako ochranný plyn už nepoužíva dusík, pretože by reagoval s uhlíkom: používajú sa iné inertné plyny.
Konečná teplota rozhoduje o type získaného vlákna:
| Typ vlákna | Teplota spracovania | Obsah uhlíka |
|---|---|---|
| Vysokopevnostné | 1 200 až 1 400 °C | 92 až 96 % |
| Vysokomodulové | 1 800 až 2 500 °C | pribl. 99 % |
| Ultravysokomodulové | 2 800 až 3 000 °C | pribl. 99 % |
Zdroj: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors“. Čím je vlákno tuhšie („vysokomodulové“), tým viac energie vyžaduje, čo čiastočne vysvetľuje cenový rozdiel medzi jednotlivými typmi.
Prečo sa vlákno povrchovo upravú a lubrikuje?
Po výstupe z pecí je uhlíkové vlákno veľmi hladké a chemicky málo reaktívne. Užitočné je však až vtedy, keď je spojené so živicou. Toto spojenie pripravujú dve operácie.
Povrchová úprava. Japonský výrobca Toray vo svojej príručke na výber uhlíkových vlákien vysvetľuje, že táto úprava „pridáva kyslíkaté funkčné skupiny a mierne nalepta povrch vlákna“. Živica tak lepšie prilňne k filamentu.
Lubrikácia (sizing). Potom sa nanáša veľmi tenká ochranná vrstva, takzvaný sizing, zvolená tak, aby bola kompatibilná so živicou, ktorá sa použije: epoxidovou, polyesterovou, vinylesterovou… Sizing chráni filamenty aj pri tkaní. Toray spresňuje, že tenkšia vrstva uľahčuje rozťahovanie kábla, zatiaľ čo hrubšia lepšie chráni vlákno pri náročnej manipulácii.
Nakoniec sa vlákno navinie na cívky. V tejto fáze je to stále len čierna, ohybná priadza: tuhosť jej dá až živica.
Čo znamenajú 3K, 12K a „keprová väzba“?
Od filamentov ku káblom
Uhlíkový kábel (anglicky „tow“) spája tisíce rovnobežných filamentov. Číslo s písmenom K udáva ich počet v tisícoch: kábel 3K má 3 000 filamentov, kábel 12K ich má 12 000. Príručka Toray uvádza napríklad svoje vlákno T300 vo verziách 1 000, 3 000 a 6 000 filamentov na kábel a káble s 1 000 až 6 000 filamentmi zaraďuje medzi „malé káble“; štandardné káble vyrábané v USA majú 12 000, 24 000 alebo 36 000 filamentov.
Malé káble dávajú jemnú a pravidelnú tkaninu, tú, ktorú vidíte na pohľadových dieloch. Veľké káble sa hodia skôr na priemyselné diely, pri ktorých vzor zostáva viditeľný len zriedka.
Od káblov k tkanine
Káble sa potom tkajú na krosnách ako textil. Dokument „Prepreg Technology“ spoločnosti Hexcel, výrobcu kompozitov pre letectvo, opisuje hlavné väzby:
- Plátnová (plain): jeden nad, jeden pod, ako šachovnica. Stabilná tkanina, ktorá sa však zle prispôsobuje zakriveným tvarom.
- Keprová (twill, 2/1, 3/1 alebo 2/2): každý kábel prechádza cez dva alebo tri ďalšie, čím vznikajú šikmé línie typické pre karbón. Stredný kompromis medzi stabilitou a schopnosťou sledovať krivky.
- Atlasová (satin): veľmi málo väzných bodov, poddajná tkanina, ktorá dobre kopíruje zložité tvary.
Existujú aj jednosmerné vrstvy, v ktorých všetky vlákna vedú rovnakým smerom; používajú sa, keď je diel namáhaný hlavne v jednom smere. „Klasický“ karbónový vzor, ktorý mení vzhľad podľa svetla, je najčastejšie keprová väzba. Je to mimochodom jedno z vodítok opísaných v našom sprievodcovi, ako rozoznať pravé uhlíkové vlákno od napodobeniny.
Ako sa z tkaniny stane tuhý diel?
Samotná uhlíková tkanina je ohybná. Aby vznikol diel, kombinuje sa so živicou (najčastejšie epoxidovou), ktorá po vytvrdení drží vlákna na mieste a prenáša na ne sily. Túto dvojicu vlákna a živice nazývame kompozit.
Prepreg
V priemysle sa tkanina často dodáva už nasýtená presným množstvom živice: to je prepreg. Hexcel uvádza, že sa skladuje v mrazničke pri −18 °C, zvyčajne 12 mesiacov, a že rolka môže potrebovať až 48 hodín, kým pred otvorením dosiahne izbovú teplotu. Podľa toho istého dokumentu dosahujú uhlíkové kompozity z prepregov približne 60 % objemového podielu vlákien.
Kladenie vrstiev, vákuový vak a vytvrdzovanie
Vrstvy prepregu sa narežú a ukladajú na seba do formy, niekedy so striedavým smerom vlákien: to je laminácia. Celé sa to prekryje technickými fóliami a vakom a potom sa odsáva vzduch. Vákuum pritlačí vrstvy k sebe tlakom najviac 1 bar a diel sa vytvrdí v peci. Pri najnáročnejších dieloch sa pec nahrádza autoklávom, nádobou, ktorá pridáva tlak: schéma spoločnosti Hexcel ukazuje tlaky od 1 do 10 barov.
Epoxidové živice pre prepregy sa zvyčajne vytvrdzujú pri 120 °C alebo 180 °C. Hexcel priraďuje prvej prevádzkovú teplotu okolo 100 °C a druhej 130 až 155 °C. Po vychladnutí a vybratí z formy sa diel oreže, v prípade potreby zbrúsi a prípadne nalakuje.
Rada Fibernium: pri doplnku pre vás nerozhoduje názov postupu, ale viditeľný výsledok. Pravá uhlíková tkanina má hĺbku a odlesky, ktoré sa pohybujú, keď predmet nakloníte; potlačený vzor zostáva plochý. Skôr než sa rozhodnete, pozrite si kus v bočnom svetle.
Vyrába sa kovaný karbón rovnako?
Samotné vlákno je rovnaké: vychádza z rovnakých pecí. Mení sa tvarovanie. Namiesto tkaniny s pravidelne usporiadanými káblami využíva kovaný karbón krátke vlákna alebo úlomky rozmiestnené náhodne, zmiešané so živicou a lisované vo forme. Mramorový vzor vzniká z tohto náhodného usporiadania, takže žiadne dva kusy nie sú rovnaké. Rozdiely vo vzhľade a použití podrobne opisujeme v článku kovaný karbón alebo tkané uhlíkové vlákno.
Históriu karbónu, od pretekárskych okruhov po predmety každodennej potreby, si prečítajte v článku z okruhu do vášho vrecka.
Tento článok opisuje všeobecný priemyselný postup. Na stránkach produktov opisujeme materiál každého výrobku: FIBRE je pravá doska z tkaného uhlíkového vlákna, FORGE a BRUTE sú z pravého kovaného karbónu, MAILLE kombinuje karbón a aramid. Prevedenia GIVRE a HYBRIDE z radu „Style carbone“ sú zo sklašného vlákna, nie z karbónu. Kde tieto materiály nájdete:
- Kryty z tkaného uhlíkového vlákna
- Kryty z kovaného karbónu
- Kryty z farebného karbónu
- Spony na bankovky z karbónu
Časté otázky
Je uhlíkové vlákno čistý uhlík?
Takmer. Podľa kurzu NPTEL obsahujú vysokopevnostné vlákna 92 až 96 % uhlíka a vysokomodulové približne 99 %. Hotový diel je však kompozit: obsahuje aj živicu.
Prečo je výroba uhlíkového vlákna drahá?
Postup radí za sebou niekoľko vysokoteplotných pecí v inertnom plyne s pomalou stabilizáciou. Zhruba polovica hmotnosti prekurzora PAN sa cestou stratí. Potom je ešte potrebné tkať, sýtiť, tvarovať a vytvrdzovať.
Čo znamená 3K na uhlíkovej tkanine?
Že každý kábel tkaniny spája 3 000 filamentov. Kábel 12K ich obsahuje 12 000. Číslo vypovedá o jemnosti tkaniny, nie o kvalite vlákna.
Čo je autokláv?
Vyhrievaná tlaková nádoba, v ktorej sa vytvrdzujú kompozitné diely uzavreté vo vákuu. Dodatočný tlak lepšie stlačí vrstvy a obmedzí bublinky, čo sa hodí hlavne pri hrubých dieloch alebo dieloch s vysokým podielom vlákien.
Je to postup používaný pri krytoch Fibernium?
Tento článok opisuje všeobecnú výrobu uhlíkového vlákna a kompozitov. Stránky produktov uvádzajú materiál každého krytu; priemyselný postup neopisujú, a preto o ňom tu nič netvrdíme.