Izdelava ogljikovih vlaken se le redko začne z ogljikom: najpogosteje izhajajo iz preje iz akrilnega polimera, poliakrilonitrila (PAN), ki jo najprej segrevajo na zraku na približno 180–300 °C, nato pa brez kisika na več kot 1000 °C. Preja izgubi skoraj vse, kar ni ogljik, in postane ogljikov filament. Filamente nato združijo v snope, stkejo, prepojijo s smolo in utrdijo v kalupu. Tukaj je vsak korak, preprosto razložen.
Prekrižani vzorec, ki ga vidite na ovitku iz tkanih ogljikovih vlaken, je viden rezultat celotne te verige: tisoče filamentov, združenih v snope, prepletenih in nato fiksiranih v prozorni smoli.
Na kratko
- Večina ogljikovih vlaken nastane iz preje PAN, ki se stabilizira na zraku in nato karbonizira v inertnem plinu.
- Temperatura karbonizacije določa vrsto vlakna: visoka trdnost pri približno 1200–1400 °C, visok modul do 3000 °C.
- Tog del nastane šele s smolo: tkanina ali prepreg, kalup in nato utrjevanje pod vakuumom ali v avtoklavu.
Iz česa se izdelujejo ogljikova vlakna?
Čistega ogljika ni mogoče presti: pri običajnem tlaku se ne tali in se ne raztaplja. Da bi dobili ogljikov filament, zato najprej izdelajo filament iz drugega materiala, tako imenovanega prekurzorja, nato pa z vročino odstranijo vse, kar ni ogljik, ne da bi preja izgubila obliko.
Strokovna literatura opisuje tri prekurzorje: poliakrilonitril (PAN), viskozna vlakna (rajon) in smolo (pek), ostanek nafte ali premoga. Ta članek sledi PAN, poti, opisani za vlakna z visoko trdnostjo in visokim modulom, ki daje dober izkoristek ogljika: po tečaju Indian Institute of Technology, objavljenem na NPTEL, dajejo prekurzorji PAN izkoristek ogljika od 50 do 55 %. Z drugimi besedami: približno polovica mase izhodne preje med izdelavo uide v obliki plinov.
PAN je polimer, podoben tistemu v akrilnih tekstilijah. Predejo ga v tisoče neskončnih filamentov, ki jih raztegnejo, da se njegove dolge molekule poravnajo vzdolž osi preje. Ta poravnava je pomembna: prav ona bo pozneje ogljikovemu vlaknu dala togost v vzdolžni smeri.
Kako akrilna preja postane ogljik?
Preobrazba poteka neprekinjeno: snopi potujejo skozi vrsto peči z naraščajočo temperaturo. Ločimo tri faze.
1. Stabilizacija (ali oksidacija)
Prejo PAN najprej segrevajo na zraku, na približno 180–300 °C. Molekule se preuredijo in vežejo kisik: preja počrni in predvsem postane netaljiva. Brez te faze bi se v naslednjih pečeh stalila ali zgorela. Reakcija sprošča toploto, zato mora temperatura naraščati počasi, da reakcija ne uide izpod nadzora.
2. Karbonizacija
Stabilizirana preja nato vstopi v peči, napolnjene z inertnim plinom, brez kisika: zato ne more zgoreti. Isti tečaj NPTEL opisuje dve coni: do 600 °C zelo blago segrevanje (manj kot 5 °C na minuto), nato od 600 do 1300 °C, kjer je segrevanje lahko hitrejše. Vodik, dušik in kisik uhajajo v obliki plinov, preostali ogljikovi atomi pa se uredijo v plasti, podobne plastem grafita.
3. Grafitizacija (pri nekaterih vlaknih)
Za še bolj toga vlakna temperaturo dvignejo do približno 3000 °C, pod napetostjo in še vedno v inertnem plinu. Nad 2000 °C dušika ne uporabljajo več kot zaščitnega plina, ker bi reagiral z ogljikom: uporabljajo druge inertne pline.
Končna temperatura določa vrsto dobljenega vlakna:
| Vrsta vlakna | Temperatura obdelave | Vsebnost ogljika |
|---|---|---|
| Visoka trdnost | 1200 do 1400 °C | 92 do 96 % |
| Visok modul | 1800 do 2500 °C | pribl. 99 % |
| Zelo visok modul | 2800 do 3000 °C | pribl. 99 % |
Vir: NPTEL, »Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors«. Bolj ko je vlakno togo (»visok modul«), več energije zahteva, kar delno pojasnjuje razliko v ceni med vrstami.
Zakaj vlakno površinsko obdelajo in nanesejo zaščitni premaz?
Ko pride iz peči, je ogljikovo vlakno zelo gladko in kemično malo reaktivno. Uporabno pa je šele, ko je vezano v smolo. To vezavo pripravita dva postopka.
Površinska obdelava. Japonski proizvajalec Toray v svojem vodniku za izbiro ogljikovih vlaken pojasnjuje, da ta obdelava »doda kisikove funkcionalne skupine in rahlo jedka površino vlakna«. Tako se smola bolje oprime filamenta.
Zaščitni premaz (sizing). Nato nanesejo zelo tanko zaščitno plast, imenovano sizing, izbrano tako, da je združljiva s smolo, ki bo uporabljena: epoksidno, poliestrsko, vinilestrsko … Sizing ščiti filamente tudi med tkanjem. Toray pojasnjuje, da tanjša plast olajša razširjanje snopa, debelejša pa bolje ščiti vlakno pri zahtevnem rokovanju.
Na koncu vlakno navijejo na tuljave. Na tej stopnji je to še vedno le črna, upogljiva preja: togost ji bo dala smola.
Kaj pomenijo 3K, 12K in »keper«?
Od filamentov do snopov
Ogljikov snop (angleško »tow«) združuje tisoče vzporednih filamentov. Številka s črko K pove njihovo število v tisočih: snop 3K ima 3000 filamentov, snop 12K pa 12 000. Vodnik Toray navaja na primer svoje vlakno T300 v različicah s 1000, 3000 in 6000 filamenti na snop, snope s 1000 do 6000 filamenti pa uvršča med »majhne snope«; standardni snopi, izdelani v ZDA, imajo 12 000, 24 000 ali 36 000 filamentov.
Majhni snopi dajo fino in enakomerno tkanino, tisto, ki jo vidite na vidnih delih. Veliki snopi so bolj primerni za industrijske dele, kjer vzorec le redko ostane viden.
Od snopov do tkanine
Snope nato stkejo na statvah, kot tekstil. Dokument »Prepreg Technology« podjetja Hexcel, proizvajalca kompozitov za letalstvo, opisuje glavne vezave:
- Platnena (plain): eden zgoraj, eden spodaj, kot šahovnica. Stabilna tkanina, ki pa se slabo prilagaja ukrivljenim oblikam.
- Keperska (twill, 2/1, 3/1 ali 2/2): vsak snop gre čez dva ali tri druge, kar riše poševne linije, značilne za karbon. Srednji kompromis med stabilnostjo in sposobnostjo sledenja krivuljam.
- Atlasna (saten): zelo malo prepletov, voljna tkanina, ki se dobro prilagaja zapletenim oblikam.
Obstajajo tudi enosmerne plasti, v katerih vsa vlakna potekajo v isti smeri; uporabljajo se, kadar je del obremenjen predvsem v eni smeri. »Klasičen« karbonski vzorec, ki spreminja videz glede na svetlobo, je najpogosteje keperska vezava. To je mimogrede eden od znakov, opisanih v našem vodniku, kako ločiti prava ogljikova vlakna od imitacije.
Kako tkanina postane tog del?
Ogljikova tkanina sama je upogljiva. Da nastane del, jo združijo s smolo (najpogosteje epoksidno), ki po utrditvi drži vlakna na mestu in nanje prenaša sile. Temu paru vlakna in smole pravimo kompozit.
Prepreg
V industriji tkanino pogosto dobavijo že prepojeno z natančno količino smole: to je prepreg. Hexcel navaja, da se hrani v zamrzovalniku pri −18 °C, običajno 12 mesecev, in da lahko zvitek potrebuje do 48 ur, da pred odpiranjem doseže sobno temperaturo. Po istem dokumentu ogljikovi kompoziti iz prepregov dosegajo približno 60 % volumenskega deleža vlaken.
Polaganje plasti, vakuumska vreča in utrjevanje
Plasti preprega razrežejo in jih položijo eno na drugo v kalup, včasih z izmenično usmeritvijo vlaken: to je laminiranje. Vse skupaj prekrijejo s tehničnimi folijami in vrečo, nato izsesajo zrak. Vakuum stisne plasti skupaj s tlakom največ 1 bar, del pa utrdijo v peči. Pri najzahtevnejših delih peč zamenja avtoklav, posoda, ki doda tlak: shema podjetja Hexcel prikazuje tlake od 1 do 10 barov.
Epoksidne smole za prepreg se običajno utrjujejo pri 120 °C ali 180 °C. Hexcel prvi pripisuje delovno temperaturo okoli 100 °C, drugi pa od 130 do 155 °C. Po ohladitvi in odstranitvi iz kalupa del obrežejo, po potrebi zbrusijo in po želji polakirajo.
Nasvet Fibernium: pri dodatku za vas ne šteje ime postopka, temveč viden rezultat. Prava ogljikova tkanina ima globino in odseve, ki se premikajo, ko predmet nagnete; natisnjen vzorec ostane ploščat. Preden se odločite, si predmet oglejte pri poševni svetlobi.
Ali se kovani karbon izdeluje enako?
Vlakno samo je enako: prihaja iz istih peči. Spremeni se oblikovanje. Namesto tkanine z urejeno poravnanimi snopi kovani karbon uporablja kratka vlakna ali delce, razporejene naključno, pomešane s smolo in stisnjene v kalupu. Marmorni vzorec nastane iz te naključne razporeditve, zato nobena dva kosa nista enaka. Razlike v videzu in uporabi podrobneje opisujemo v članku kovani karbon ali tkana ogljikova vlakna.
Zgodovino karbona, od dirkališč do vsakdanjih predmetov, preberite v članku z dirkališča v vaš žep.
Ta članek opisuje splošni industrijski postopek. Na straneh izdelkov opisujemo material vsakega izdelka: FIBRE je prava plošča iz tkanih ogljikovih vlaken, FORGE in BRUTE sta iz pravega kovanega karbona, MAILLE združuje karbon in aramid. Izvedbi GIVRE in HYBRIDE iz linije »Style carbone« sta iz steklenih vlaken, ne iz karbona. Kje najdete te materiale:
- Ovitki iz tkanih ogljikovih vlaken
- Ovitki iz kovanega karbona
- Ovitki iz barvnega karbona
- Sponke za bankovce iz karbona
Pogosta vprašanja
Ali so ogljikova vlakna čisti ogljik?
Skoraj. Po tečaju NPTEL vsebujejo vlakna z visoko trdnostjo od 92 do 96 % ogljika, vlakna z visokim modulom pa približno 99 %. Končan del pa je kompozit: vsebuje tudi smolo.
Zakaj je izdelava ogljikovih vlaken draga?
Postopek združuje več visokotemperaturnih peči v inertnem plinu in počasno stabilizacijo. Približno polovica mase prekurzorja PAN se na poti izgubi. Nato je treba še tkati, prepojiti, oblikovati in utrditi.
Kaj pomeni 3K na ogljikovi tkanini?
Da vsak snop tkanine združuje 3000 filamentov. Snop 12K jih vsebuje 12 000. Številka pove nekaj o finosti tkanine, ne o kakovosti vlakna.
Kaj je avtoklav?
Ogrevana tlačna posoda, v kateri utrjujejo kompozitne dele v vakuumskih vrečah. Dodatni tlak bolje stisne plasti in zmanjša mehurčke, kar je koristno predvsem pri debelih delih ali delih z visokim deležem vlaken.
Ali je to postopek, ki se uporablja za ovitke Fibernium?
Ta članek opisuje splošno izdelavo ogljikovih vlaken in kompozitov. Strani izdelkov navajajo material vsakega ovitka; industrijskega postopka ne opisujejo, zato o njem tukaj ne trdimo ničesar.