איך פיברגלאס הופך מנפט/קוטרין ל"זהב שחור"?

האם אתם יכולים להאמין? המסגרת הליבה של ר켓ים של אלופי אולימפיאדה שיכולים להכות בשמטש במהירות 300 קמ"ש, מכוניות F1 עם גופים העומדים במרוצי 0-100 קמ"ש ב-2.3 שניות, ואפילו המעטפות החיצוניות של טילים חורצים את האטמוספירה – כל עמוד השדרה שלהן נובע מהשאריות השחורות המושלכות שנשארות אחרי раfinery שמן?

היום אנו חוצים לתוך העלייה המדהימה של סיבי הפחמן, 'הכלב הראשי' של מדע החומרים. גלו כיצד זפת נפט צנועה עמדה במשבר רב ותהליך טרנספורמציה שהפכו אותה ל'זהב שחור' ששוויו עולה על הכסף!

למה קוראים לו "זהב שחור"?
לפני שניכנס למסע זה של טרנספורמציה, בואו נטפל קודם כל בשאלה בסיסית: למה סיבי פחמן משווים לעיתים קרובות לזהב?
(1) המחיר שלו באמת 'שווה-זהב': סיבי פחמן סטנדרטיים עולים כמה אלפי יואן לקילוגרם, בעוד שסיבי פחמן מדרגה אירונאוטית איכותיים יכולים להגיע עד 20,000 יואן לקילוגרם – יקר יותר מהכסף (בערך 5 יואן לגרם).

(2) הביצועים מרשים: שוקל רק רבע ממשקל הפלדה אך עם עוצמה פי עשר, עמיד בפני שחיקה בחומצות חזקות ולא מתבקע בטמפרטורה של -180°צ.

(3) הנדירות שלו היא באמת יוצאת דופן: רק בעשרים או כך מדינות ברחבי העולם יש טכנולוגיה לייצור המוני, וסיבי פחמן איכותיים מסווגים כ"חומר אסטרטגי" – מה שמקשה על קנייתם גם כאשר רוצים.

"רב-עוסק" זה מגיע מאספלט, תוצר לוואי של рафинציה של נפט – בדומה לשליפת יהלומים מערמות פחם, כשכל שלב מלא בהפליאה.

מאספלט לסיבי פחמן: תהליך 'כימיה' בן חמישה שלבים שבו לא ניתן לדלג אפילו על שלב אחד!

שלב ראשון: בחירת החומר — השיא של האיכות: ביטומן איכותי
לא כל ביטומן יכול להיחשב מתאים. הביטומן שאנו בדרך כלל משתמשים בו בבניית דרכים מכיל demasiית זיהומים וריכוז פחמן נמוך, ולכן אינו מתאים. רק "ביטומן בדרגה מיוחדת" עם טהרה גבוהה, ריכוז פחמן גבוה (90%) וריכוז נמוך של גפרית ומתכות יכול לשמש בייצור סיבי פחמן.

מהנדסים משתמשים בהוצאה בממס כדי 'לרחוץ' את האספלט: שמים אותו בממיסים מיוחדים כדי לסנן זיהומים כמו גפרית, חנקן וметלים כבדים, ממש כמו סינון חול. לאחר מכן מיצוי משפר את המבנה המולקולרי שלו, ונותן לו את הפוטנציאל להימשך לצליליות ולעמוד בדרגות חום גבוהות.

שלב זה דומה לבחירת ספורטאים: רק לאלו שיש להם 'בסיס חזק' יש יכולת לעמוד באימונים המהממים הבאים.

שלב שני: אריגה — משיכת 'חוטי זהב' דקים פי עשרים מתיל שער.
הבייטומן הנקי מחומם ל-200–300°C, ומשתנה למסיס צמחי דביק, דוגמת דבש. מסיס זה נדחף דרך 'לוח ספיגים' מלא חורים קטנים - כל אחד מהם בקוטר של 5–50 מיקרומטר (בהשוואה לשיער אנושי שעובייו 50–100 מיקרומטר), דק יותר ממשחק איפור!

חוטי האספלט המופלטים דרך הנiples הללו מוכנסים מיידית למים קרים או לאוויר קפוא כדי "להירגע ולהתגבש", ומייצרים כך חוטי אספלט רציפים. שלב זה דורש מיומנות טכנית יוצאת דופן: מהירות הפעלת יתר קליטה תגרום לחוטים להישבר; טמפרטורות קירור נמוכות יותר יהפכו אותם לקשיחים; אפילו נפל אחד חסום יכול להפוך את כל loạt החוטים ללא שימושיים.

אפשר להשוות זאת ל"ייצור מלאכותי של עיני תולעים-של-משי", רק שה"חוט" המופלט עדין פי עשרה מהไหม.

שלב שלישי: חיזוק מקדמי — הלבשת חוט ב"חליפה כבולה באש"
חוט האספלט שהתפורר זה עתה הוא יצור עדין: הוא נשבר מהמשיכה הקלה ביותר ודולק מהניצוץ הקל ביותר. על מנת להפוך אותו לחזק ועמיד, הצעד הראשון הוא להפוך אותו כבול באש.

הפיבר הגולמי מוכנס לתנור שמחומם ל-150–300°C, שם עובר חימום איטי באוויר במשך מספר שעות. במהלך התהליך הזה, יסודות ההידרוגן והחמצן משתחררים בהדרגה מהפיבר האספלט. המבנה המולקולרי שלו משתנה ממצב ליניארי למצב רשת, וצבעו משתנה מלבן לשחור כהה. חשוב מכול, הוא הופך לדליק!"

שלב זה אסור לדלג עליו כלל: דילוג על החיזוק מראש והמשכה לעיבוד בטמפרטורה גבוהה יגרמו לפיבר האספלט להבער מיידית, ויוביל לבطلנות כל המאמצים הקודמים. יתר על כן, קצב החימום חייב להיות איטי; השעפוך בו יוביל ל"מתח פנימי לא אחיד" בתוך הפיבר, מה שיגרום לפיצוץ.

שלב ארבע: פיחות — שיפוח בטמפרטורות גבוהות לשם ייצור "שלד פחמן טהור"
הﾌילמנט הגלם, עטוי כעת ב"בגד כיבוי אש", חייב לעבור את "המבחן הסופי" בתוך תנור הפחמן. תנור זה פועל בטמפרטורות שמתנעות בין 1000 ל-1800 מעלות צלזיוס, וחייב לשמור על סביבה חסרת חמצן (אחרת הפחמן יתמחזר וייצא פחמן דו-חמצני).

בתנאים קיצוניים אלו, הפסולת האחרונה של יסודות שאינם פחמן (כגון מימן וחנקן) בתוך הפילמנט "נמלטים" כגזים. מה שנשאר הוא פחמן כמעט טהור (ריכוז פחמן 90%), עם מבנה מולקולרי שמשתנה ל"גבישים דמויי גרפיט" מסודרים. בשלב זה, ה"ﾌילמנט האספלט" מקבל רשמית את הכינוי "קדמה לפיבר פחמן"!

טמפרטורת הפחמן קובעת ישירות את ערך סיבי הפחמן: ניתן לייצר סיבי פחמן תעשייתיים רגילים בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס, בעוד שסיבים לדרגת חלל חייבים טמפרטורות שמעל 2000 מעלות צלזיוס. זה גורם לסדר קריסטלי של פחמן מסודר יותר ולחוזקה שגדל פי כמה וכמה, מה שמגביה באופן טבעי את המחיר.

שלב חמישי: טיפול בשטח – הקמת חיבורים לסיבי פחמן
סיבי פחמן לאחר פיחות הם חלקים כזכוכית, מה שגורם להם 'לחלוח' בעת הדבקה עם חומרים כמו רזין או מתכת – ממש כמו שני לוחות זכוכית חלקים שנלחצים יחד, ורק נפרדים בצליל קליק. לאחר מכן, סיבי הפחמן המעובדים מת woven לברד (בד סיבי הפחמן שנידון קודם) או נחתכים לסיבים קצרים, ויוצרים את "השלד המרכזי" של חומרי הרכבה.
בנקודה זו, מסע ה"התמרה" שארכה 2-3 חודשים, שהתחיל מאספלט, הסתיים לבסוף.

עובדות קטנות אלו אינן ידועות ל-90% מהאנשים!

אינן כל סיבי הפחמן נגזרים ממ pitched נפט: לצד pitched נפט, ניתן להשתמש גם בסיבי פוליאקרילוניטריל (PAN) וסיבי ויסקוז לייצור סיבי פחמן. סיבי פחמן מבוססי PAN מהווים 90% מהתפוקה העולמית, בעוד שסיבי פחמן מבוססי pitched מתאימים יותר ליישומים מתקדמים ובעלי חוזק גבוה.

לإنتاج טון אחד של סיבי פחמן נדרשים 20 טון חומרי גלם: מ-pitched ועד לסיבי הפחמן, שיעור התפוקה יורד מתחת ל-5%. לא מפתיע שזה כל כך יקר.

סין שברה את המונופול: בעבר, סיבי פחמן מתקדמים היו בשליטה של אירופה, אמריקה והיפן. כיום, סין השיגה ייצור המוני של סיבי פחמן דרגת T1100 (דרגת תעופה וחלל), במחיר הנמוך ב-30% מייבוא.

איזה סיבי פחמן מוצרים נתקלתם בהם?
סיבי פחמן למעשה אינם רחוקים כל כך מחיינו היומיומיים: מעבר לתעופה וחלל ולמרוצי מכוניות, הם מופיעים כעת dalam מסגרות אופניים מתקדמות, זרועות של רחפנים ואפילו בקליפות של טלפונים ניידים.

האם נתקלתם במוצרי פיברגלאס בסביבתכם? או לאילו שימושים עתידיים אתם מדמיינים את החומר הזה? שתפו את מחשבותיכם בתגובות!

האספלט הנפט יומיומי עבר תמורה מרשים במשך מספר חודשים, והפך ל"זהב השחור" שמונח בבסיס הייצור המתקדם. מאחורי זה עומד המרדף האינסופי של אלפי מהנדסים אחר דיוק ברמת המילימטר, כמו גם השאיפה המתמדת של האנושות להרחיק את הגבולות של מדע החומרים. בפעם הבאה שתקראו על מוצר מפיברגלאס, אולי תזכרו: פעם הוא היה רק שאריות נפט זולות.