El tudja hinni? Az olimpiai bajnokok olyan ütőinek alapvázát, amelyekkel 300 km/h-s sebességgel törhetik a tollaslabdát, az F1-es autók testét, amelyek 2,3 másodperc alatt gyorsulnak 0-ról 100 km/h-ra, sőt még az űrrakéták légkörbe hatoló külső burkolatát is az olajfinomítás során keletkező eldobott „fekete maradékanyagból“ nyert szénrost alkotja?
Ma a szénszálas anyagok rendkívüli fejlődésébe tekintünk bele, amelyek az anyagtudomány 'legfőbb szereplői'. Fedezzük fel, hogyan vált a szerény kőolajas aszfalt több ezer kihívás legyőzése után olyan 'fekete arannyá', amely többet ér az ezüstnél!
Miért nevezik »fekete aranynak«?
Mielőtt elindulnánk ezen átalakulás útján, először is tisztázzunk egy alapvető kérdést: miért hasonlítják gyakran össze a szénszálakat az arannyal?
(1) Ára valóban »aranyos«: a szabványos szénszál kilogrammonként több ezer jüant ér, míg a prémium minőségű, űripari szénszál akár 20 000 jüant is elérhet kilogrammonként – drágább az ezüstnél (kb. 5 jüan/gramm).
(2) Teljesítménye lenyűgöző: Csak a acél súlyának negyedét teszi ki, mégis tízszeres erősségű, ellenáll az erős savaknak és nem ridegül meg -180°C-on sem.
(3) Hiányossága valóban lenyűgöző: csupán tucatnyi ország rendelkezik tömeggyártási technológiával világszerte, a prémium szénszálat pedig „stratégiai anyagnak” minősítik – így még akkor is nehéz beszerezni, ha az ember szeretné.
Ez az „összkomoly” az aszfaltból származik, a kőolajfinomítás melléktermékéből – olyan ez, mint gyémántot kivonni a szenes halomból, minden lépés csodával van teli.
Aszfaltból szénszálba: egy ötlépcsős 'alkímiai' folyamat, amelyben egyetlen lépést sem lehet kihagyni!
Első lépés: Anyagkiválasztás — A legjobb a legjobbak közül: prémium bitumen
Nem minden bitumen képes visszatérni. A közutak építéséhez használt bitumen általában túl sok szennyezőanyagot tartalmaz, és alacsony a szén tartalma, így alkalmatlan. Csak „speciális osztályú bitumen” használható szénszál előállításához, amely magas tisztaságú, magas széntartalmú (90%) és alacsony kén- és fém-tartalmú.
A mérnökök oldószerekkel végzett kivonást alkalmaznak az aszfalt „fürdetésére”: az anyagot speciális oldószerekbe áztatják, hogy szűrjék ki a szennyeződéseket, mint a kén, nitrogén és nehézfémek, hasonlóan, mintha homokot szűrnének. Ezután desztilláció finomítja a molekuláris szerkezetet, lehetővé téve, hogy szálakká húzhassák, és ellenálljanak magas hőmérsékletnek.
Ez a szakasz hasonlít az atléták kiválasztásához: csak azok, akiknek „erős az alapja”, képesek ellenállni a következő intenzív edzésnek.
Második lépés: Szálhúzás – „aranyoszlopok” előállítása, amelyek tízszer vékonyabbak egy hajszálnál.
A tisztított bitumenes anyagot 200–300 °C-ra hevítik, így mézhez hasonló, sűrű „olvadékká” válik. Ezt az olvadékot aztán apró nyílásokkal tűzdelt „szálkifolytató lemez” (spinneret plate) segítségével préselik ki – minden nyílás csupán 5–50 mikrométeres átmérőjű (a 50–100 mikrométeres emberi hajszálhoz képest), vékonyabb, mint egy hímzöttű!
A bitumenes szálakat, amelyek ezen nyílásokon keresztül kerülnek extrudálásra, azonnal hideg vízbe vagy hűtött levegőbe merítik, hogy „lehűljenek és megkeményedjenek”, így folyamatosan képződnek a „bitumenes szálszálak”. Ezt a lépést kivételes technikai jártasság igényli: enyhén magasabb extrúziós sebesség esetén a szálak elszakadnak; enyhén alacsonyabb hűtési hőmérséklet esetén ridegekké válnak; akár egyetlen eltömődött nyílás is használhatatlanná tehet egy teljes szálszál-tételt.
Az egészet úgy lehetne jellemezni, mint „mesterségesen előállított selyemhernyó kockák” gyártását, csupán annyi a különbség, hogy az extrudált „szál” tízszer vékonyabb, mint a selyem.
Harmadik lépés: Előoxidáció — A szál „tűzálló ruhába” öltöztetése
A frissen szórt bitumenes szál igen érzékeny: a legkisebb húzásra elszakad, a legkisebb szikrára lángra kap. Hogy erőssé és rugalmassá váljon, első lépésként tűzállóvá kell tenni.
A nyers szálat egy 150–300 °C-ra hevített kemencébe helyezik, ahol több órán keresztül lassan melegítik levegőn. E folyamat során a hidrogén és az oxigén fokozatosan elpárolog az aszfaltszálból. A molekuláris szerkezete lineárisról hálózatos állapotra változik, színe pedig feketéről sötétbarnára vált. Legfőképpen tűzállóvá válik!
Ez a lépés feltétlenül nem hagyható ki: ha kihagyjuk az előoxidációt, és közvetlenül magas hőmérsékletű feldolgozásra térünk át, az aszfaltszál azonnal megégne, így minden korábbi erőfeszítés hiábavalóvá válna. Emellett a felmelegítés üteme lassúnak kell lennie; ha siettetjük, a szál belsejében "egyenetlen belső feszültség" keletkezik, amely repedéseket okozhat.
Negyedik lépés: Karbonizáció — finomítás magas hőmérsékleten, hogy létrehozzon egy „tiszta szénvázat”
A nyers szálat, amely most már a "tűzálló ruhájában" van, meg kell vizsgálni a karbonizációs kemencében zajló "végső próbán". Ez a kemence 1000 és 1800 °C közötti hőmérsékleten működik, és oxigénmentes környezetet kell fenntartania (ellenkező esetben a szén széndioxiddá oxidálódna).
Ezen extrém hőmérsékletek hatására a szálban lévő nem szén elemek utolsó nyomai (például hidrogén és nitrogén) gázként "távoznak". Ami marad, az majdnem tiszta szén (90%-os szén tartalom), amelynek molekuláris szerkezete rendezett "grafitszerű kristályokká" alakul át. Ezen a ponton az "aszfalt szálat" hivatalosan is "szénszálas előanyaggá" minősítik!
A karbonizálási hőmérséklet közvetlenül meghatározza a szénszálas anyag értékét: kb. 1000 °C-on előállítható az átlagos ipari minőségű szénszál, míg az űrrepülési minőséghez 2000 °C feletti hőmérsékletre van szükség. Ez rendezettebb szénkristályos szerkezetet és többszörösére növekedett szilárdságot eredményez, ami természetesen az ár emelkedéséhez vezet.
Ötödik lépés: Felületkezelés – A szénszál kapcsolódásának kialakítása
A frissen karbonizált szénszál felülete olyan sima, mint az üveg, ezért könnyen 'elsiklik' a gyanta vagy fém típusú anyagokkal való kötés során – akár két sima üveglap, amelyet összenyomnak, majd hirtelen szétpattannak. A kezelt szénszálat ezt követően szövik anyaggá (a korábban említett szénszálas anyag) vagy rövid szálakká vágják, így alakítva ki a kompozitanyagok "fő vázát".
Ekkor véget ér az aszfaltból indult, 2-3 hónapos „metamorfózis” út.
Ezeket a kevéssé ismert tényeket az emberek 90%-a nem ismeri!
1. Nem minden szénszálat állítanak elő kőolajkicsapódásból: a kőolajkicsapódáson túl a poliakrilnitril (PAN) és a viszkóz szál is felhasználható szénszál gyártásához. A PAN-alapú szénszál a világ termelésének 90%-át teszi ki, míg a kicsapódáson alapuló szénszál alkalmasabb magas minőségű, nagy szilárdságú alkalmazásokra.
2. Egy tonna szénszál előállítása 20 tonna nyersanyagot igényel: a kicsapódástól a szénszálig a kitermelési ráta 5% alá esik. Nem meglepő, hogy ilyen drága.
3. Kína megtörte a monopóliumot: korábban az európai, amerikai és japán cégek ellenőrizték a magas minőségű szénszálakat. Ma már Kína tömegesen gyárt T1100-ös osztályú szénszálakat (légi és űri besorolású), amelyek ára 30%-kal alacsonyabb az importált termékekénál.
Milyen szénszállal termékek találkozott eddig?
A szénszál valójában egyáltalán nem idegen a mindennapi életünktől: az űrkutatáson és a motorsporton túl mára megjelent a prémium kerékpárkeretekben, drónkarokban, sőt még mobiltelefon-házakban is.
Találkozott már szénszálas termékekkel a környezetében? Vagy milyen jövőbeli alkalmazásokat lát ezen anyag számára? Ossza meg gondolatait a hozzászólásokban!
A szerény küllemű kőolajas aszfalt több hónapon át tartó figyelemre méltó átalakuláson ment keresztül, míg végül a „fekete aranyként” alapjává vált a magas színvonalú gyártásnak. E mögött az apró, miliméteres pontosság eléréséért folytatott könyörtelen küzdelem áll, amelyet számtalan mérnök vív, valamint az emberiség folyamatos törekvése, hogy mind határait feszegetve fejlessze az anyagtudományt. Legközelebb, amikor szénszálas termékkel találkozik, eszébe juthat: egyszer nem volt több ennél a kőolaj-maradéknál.
Minden jog fenntartva: 2025 © Zhangjiagang Weinuo Composites Co., Ltd.
EN
