Jak se uhlíková vlákna transformují z ropy/asfaltu na „černé zlato“?

Můžete tomu věřit? Hlavní konstrukce raket olympijských šampionů, schopných odpalovat volejbalové míčky rychlostí 300 km/h, F1 vozy s karoserií odolávající akceleraci z 0 na 100 km/h za 2,3 sekundy, dokonce i vnější plášť kosmických raket pronikajících atmosférou – jejich základní kostra pochází z vyřazeného ‚černého rezidua‘, které zůstává po rafinaci ropy?

Dnes se podíváme na úžasný vzestup uhlíkových vláken, materiálu, který je ve světě vědy o materiálech považován za „nejsilnějšího“. Zjistěte, jak z prosté ropné asfaltové smůly vzešlo něco, co je známé jako „černé zlato“ a co má vyšší hodnotu než stříbro!

Proč se tomu říká „černé zlato“?
Než se vydáme na tuto cestu přeměny, pojďme si nejprve odpovědět na základní otázku: proč se uhlíková vlákna často přirovnávají ke zlatu?
(1) Jeho cena je opravdu „hodna zlata“: běžné uhlíkové vlákno stojí několik tisíc jüanů za kilogram, zatímco uhlíkové vlákno vysoce kvalitní, určené pro letecký průmysl, může dosáhnout ceny až 20 000 jüanů za kilogram – což je dražší než stříbro (přibližně 5 jüanů za gram).

(2) Výkon je ohromující: váží pouze čtvrtinu oceli, ale má desetinásobnou pevnost, odolává korozi v silných kyselinách a nepoddává se křehkosti při teplotě -180 °C.

(3) Její vzácnost je skutečně ohromující: pouze několik málo zemí na světě disponuje technologií masové výroby, přičemž kvalitní uhlíková vlákna jsou zařazena jako „strategický materiál“ – což ještě zvyšuje obtíže s jejich získáním, i když o ně stojíte.

Tento „všestranný hráč“ pochází z asfaltu, vedlejšího produktu rafinace ropy – podobně jako vyhrabávání diamantů z hald uhlí, přičemž každý krok je plný úžasu.

Z asfaltu na uhlíková vlákna: pětistupňový proces ‚alkymie‘, ve kterém nelze vynechat jediný krok!

Krok první: Výběr materiálu – nejlepší z nejlepších: kvalitní bitumen
Ne každý bitumen se může vrátit do hry. Bitumen, který obvykle používáme pro stavbu silnic, obsahuje příliš mnoho nečistot a má nízký obsah uhlíku, a proto není vhodný. Pouze „speciální třída bitumenu“ s vysokou čistotou, vysokým obsahem uhlíku (90 %) a nízkým obsahem síry a kovů se dá použít pro výrobu uhlíkových vláken.

Inženýři používají extrakci rozpouštědlem k „koupání“ asfaltu: ponořují jej do speciálních rozpouštědel, aby odstranili nečistoty jako síra, dusík a těžké kovy, podobně jako při prosévání písku. Následná destilace poté vylepší jeho molekulární strukturu, čímž získává potenciál být tažen do vláken a odolávat vysokým teplotám.

Tato fáze připomíná výběr sportovců: pouze ti s „pevným základem“ mohou odolat následné intenzivní přípravě.

Krok dva: Vytahování — táhnutí „zlatých nití“, které jsou desetkrát tenčí než lidský vlas.
Čištěný dehtový pryskyřice se zahřeje na teplotu 200–300 °C, čímž se promění v lepkavou hmotu podobnou medu. Tato hmota je pak protlačována skrz „desku s tryskami“ posetou malými otvory – každý o průměru pouhých 5–50 mikrometrů (ve srovnání s lidským vlasem, který má 50–100 mikrometrů), jemnější než šicí jehla!

Asfaltová vlákna vytlačovaná těmito otvory jsou okamžitě ponořena do studené vody nebo chlazeného vzduchu, aby se „ochladila a zformovala“, čímž vznikají nepřetržité „prameny asfaltových vláken“. Tento krok vyžaduje mimořádnou technickou zručnost: mírně vyšší rychlost extruze způsobí přetržení vláken; o něco nižší teplota chlazení je způsobí křehkost; dokonce i jediný ucpaný otvor může znehodnotit celou šarži vláken.

Mohlo by to být přirovnáno k „umělému vyrábění housenkových kokonů“, jen s tím rozdílem, že „vlákno“, které je vytlačováno, je desetkrát jemnější než hedvábí.

Krok tři: Předoxidace — oblékání vlákna do „ohnivzdorného obleku“
Čerstvě vytažené asfaltové vlákno je velmi křehké: praskne při sebemenším tahovém namáhání a vznítí se při sebemenším jiskření. Aby bylo možné z něj udělat pevný a odolný materiál, je prvním krokem zajistit jeho nehořlavost.

Syrové vlákno je umístěno do troubu ohřátého na 150–300 °C, kde probíhá pomalé zahřívání ve vzduchu po dobu několika hodin. Během tohoto procesu postupně unikají z asfaltového vlákna vodík a kyslík. Jeho molekulární struktura se mění z lineární na síťovou a barva se mění z černé na tmavě hnědou. Co je nejdůležitější, stává se nehořlavým!

Tento krok je naprosto nutné provést: přeskočení předoxidace a přímé přecházení na zpracování za vysoké teploty by způsobilo okamžité shoření asfaltového vlákna, čímž by se znehodnotily všechny předchozí úsilí. Navíc musí být rychlost ohřevu pomalá; při jejím urychlení by došlo k „nerovnoměrnému vnitřnímu napětí“ ve vlákně, což by způsobilo praskliny.

Krok čtyři: Karbonizace — upravení za vysokých teplot za účelem vytvoření „čisté uhlíkové kostry“
Syrové vlákno, nyní obalené do svého „ohnivzdorného oděvu“, musí projít „konečnou zkouškou“ uvnitř karbonizační peci. Tato pec pracuje při teplotách mezi 1000 až 1800 °C a musí udržovat prostředí bez přítomnosti kyslíku (jinak by uhlík oxidoval na oxid uhličitý).

Působením těchto extrémních teplot unikají poslední stopy neuhlíkových prvků (například vodíku a dusíku) ve vlákně jako plyny. Zbývá téměř čistý uhlík (obsah uhlíku 90 %), jehož molekulární struktura se přeuspořádává do uspořádaných „krystalů podobných grafitu“. V tomto stádiu je „asfaltové vlákno“ oficiálně povýšeno na „předsyrek pro uhlíková vlákna“!

Teplota karbonizace přímo určuje hodnotu uhlíkových vláken: průmyslová uhlíková vlákna běžné kvality lze vyrobit při teplotě kolem 1000 °C, zatímco pro letecký a kosmický průmysl jsou zapotřebí teploty přesahující 2000 °C. To vede k uspořádání uhlíkových krystalů do pravidelnější struktury a několikanásobnému nárůstu pevnosti, což přirozeně zvyšuje cenu.

Pátý krok: Úprava povrchu – Vytváření spojení pro uhlíková vlákna
Čerstvě karbonizovaná uhlíková vlákna mají povrch hladký jako sklo, který má tendenci 'klouzat' při spojování s materiály jako je pryskyřice nebo kov – podobně jako dvě hladké skleněné destičky, které se přitlačí k sobě, ale při pokusu o oddělení se rychle rozejdou. Následně upravená uhlíková vlákna jsou tkaná do látky (tzv. uhlíkového plátna, o kterém byla řeč dříve) nebo krácena na krátká vlákna, čímž vzniká „základní kostra“ kompozitních materiálů.
V tomto okamžiku se tak dokončuje dvou až tříměsíční „metamorfóza“, jejíž počátek sahá k asfaltu.

Tato málo známá fakta nezná 90 % lidí!

1. Ne všechno uhlíkové vlákno pochází z ropného dehtu: vedle ropného dehtu lze k výrobě uhlíkového vlákna použít také polyakrylonitril (PAN) a viskózová vlákna. Uhlíkové vlákno na bázi PAN tvoří 90 % celkové světové produkce, zatímco uhlíkové vlákno na bázi dehtu je vhodnější pro náročné aplikace vyžadující vysokou pevnost.

2. Výroba jedné tuny uhlíkového vlákna spotřebuje 20 tun surovin: z dehtu až ke konečnému uhlíkovému vláknu klesá výtěžnost pod 5 %. Není proto divu, že je tak drahé.

3. Čína prolomila monopol: dříve bylo vyspělé uhlíkové vlákno v rukou Evropy, Ameriky a Japonska. Dnes Čína dosáhla masové výroby uhlíkového vlákna třídy T1100 (letecké třídy) za cenu o 30 % nižší než dovoz.

Jaké uhlíkové vlákno produkty jste potkali?
Uhlíkové vlákno je ve skutečnosti mnohem blíže každodennímu životu, než se zdá: kromě leteckého průmyslu a motorsportu se dnes objevuje i ve vzdušných rámech kol, dronech a dokonce i v pouzdrech mobilních telefonů.

Setkali jste se někdy s výrobky z uhlíkových vláken ve svém okolí? Nebo jaké si představujete budoucí aplikace tohoto materiálu? Své názory sdělte v komentářích!

Nepostradatelný ropný asfalt prošel během několika měsíců pozoruhodnou proměnou a vyvinul se v „černé zlato“, které tvoří základ vysokotřídní výroby. Za tím stojí neúnavný zápal inženýrů usilujících o přesnost na milimetr, stejně jako trvalé úsilí lidstva posouvat hranice vědy o materiálech. Příště, až se setkáte s výrobkem z uhlíkových vláken, možná vzpomenete: jednou to byl jen odhozený ropný odpad.