Көміртегі талшық қалай мұнай/битумнан «қара алтынға» айналады?

Сіз сенесіз бе? Олимпиада чемпиондарының 300 км/сағ жылдамдықпен лақтырылатын воланшектерін соғу үшін қажетті негізгі рамасы, 2,3 секунд ішінде 0-100 км/сағ жылдамдыққа жететін денесі бар «Формула-1» машиналары, атмосфераны бойлайтын ғарыш зымырандарының сыртқы қабықтары – олардың негізі мұнай өңдеуден кейін қалдырылған «қара қалдықтан» шығады

Бүгін біз материалдар ғылымының 'көшбасшысы' болып табылатын көміртегі талшықтың ерекше өсуіне тоқталамыз. Көптеген сындардан оңай өткен тыңайтқыш мұнайлы асфальт қалай 'қара алтынға' айналып, күмістен де қымбат болғанын біліңіз!

Неліктен оны "қара алтын" деп атайды?
Трансформация сапарына шығар алдында, негізгі сұраққа жауап берейік: неліктен көміртегі талшық жиі алтынмен салыстырылады?
(1) Оның бағасы шынымен де 'алтындай': стандартты көміртегі талшықтың бағасы килограмына бірнеше мың юань, ал жоғары сапалы әуежайда қолданылатын көміртегі талшық килограмына 20 000 юаньға дейін жетеді – бұл күмістен (граммына шамамен 5 юань) қымбат

(2) Өнімділігі елеулі: болаттан төрт есе жеңіл, бірақ оның беріктігінен он есе асып түседі, күшті қышқылдарда коррозияға төзімді және -180°C-та сынғыш болмайды

(3) Оның сиректігі шынымен қорқынышты: бұл өндірісті тек дүниежүзінде ондай-ақ елдер иеленеді, ал жоғары сапалы көміртегі талшығы «стратегиялық материал» ретінде саналады – оны сатып алу мүмкіндігі болса да, қиындық туғызады.

Бұл «универсал» асфальттан, мұнай өңдеудің қосалқы өнімінен шығады – көмір қабатынан алмаз алу секілді, әрбір қадамы таңғажайыптыққа толы.

Асфальттан көміртегі талшығына дейін: бір де бір қадамын орындамауға болмайтын бес сатылы 'химиялық' процесс!

Бірінші қадам: Материалды таңдау — ең жоғары сортты битум
Барлық битумдар қайта өңделе бермейді. Жол салу үшін қолданылатын битумымызда қоспалар тым көп және көміртегі мөлшері төмен, сондықтан ол пайдалануға қолайсыз. Тек қана жоғары тазалықтағы, көміртегі мөлшері жоғары (90%), күкірт пен металдар мөлшері төмен «ерекше сортты битум» ғана көміртегі талшығын өндіру үшін пайдаланылады.

Инженерлер асфальтты «жуу» үшін еріткішті пайдаланады: күкірт, азот және ауыр металдар сияқты қоспаларды құмды сүзгіш секілді тазарту үшін оны арнайы еріткіштерге батырады. Содан кейін дистилляция оның молекулалық құрылымын тазартып, жіпке созылуына және жоғары температураға төзімді болуына мүмкіндік береді.

Бұл кезең спортшыларды таңдауға ұқсайды: тек «берік негізге» ие болғандар ғана кейінгі қатаң дайындықтан өте алады.

Екінші қадам: Жіп шығару — шашақтан он есе жіңішке «алтын жіптерді» созу.
Тазартылған битумды 200–300°C-қа дейін қыздырып, бал сияқты қою «балқымаға» айналдырады. Осы балқыманы диаметрі 5–50 микрометр (адам шашының 50–100 микрометрімен салыстырғанда) болатын, шаншық инесінен де жіңішкереу, кішкентай тесіктері бар «жіп шығаратын пластинаға» үдетіп жібереді!

Бұл саңылаулар арқылы экструдерленген асфальт шайқалдары түзілумен бірге суық суға немесе суытылған ауаға батырылып, «салқындатылып және қаттырылады», осылайша үздіксіз «асфальт шайқал жіптері» пайда болады. Бұл кезең ерекше техникалық шебердікті талап етеді: экструзия жылдамдығын сәл ғана арттырса, шайқалдар үзіледі; салқындату температурасын сәл төмендетсе, олар сынғыш болып қалады; тіпті бір ғана бітелген саңылау бүкіл партия шайқалды жарамсыз етеді.

Оны «жасанды құрт қуыршақтарын шығаруға» теңестіруге болады, тек шығарылған «жіп» шайқал иірімінен он есе жіңішке.

Үшінші қадам: Алдын-ала тотықтыру — шайқалға «өртке төзімді киім» кигізу
Жаңадан иірілген асфальт шайқалы өте сезімтал: ол ең аз созылумен үзіледі және ең кішкентай жұлдыннан лезде жанып кетеді. Оны берік және серпінді ету үшін алдымен оны өртке төзімді ету керек.

Шикізаттық жіпші 150-300°C дейін қыздырылған пешке салынады, мұнда ол бірнеше сағат бойы ауада баяу қыздырылады. Бұл процесте сутегі мен оттегі элементтері біртіндеп асфальт жіпшеден шығады. Оның молекулалық құрылымы сызықтық құрылымнан торлы күйге өзгереді және түсі қаратан қою қоңырға дейін өзгереді. Ең маңыздысы, ол өртке төзімді болады!

Бұл кезеңді мүлдем өткізіп жіберуге болмайды: алдын ала тотықтыруды өткізіп жіберіп, тікелей жоғары температураға өту асфальт талшығының лезде жануына әкеледі, бұл барлық алдыңғы еңбекті нәтижесіз етеді. Сонымен қатар, қыздыру жылдамдығы баяу болуы керек; тездету талшық ішінде "теңсіз ішкі кернеуді" тудырады да, трещиндер пайда болады.

Төртінші қадам: Көміртектік жасау — таза көміртек скелетін алу үшін жоғары температурада өңдеу
Таза талшық, енді «отқа төзімді киімінде», карбондау пешінде «соңғы сынамадан» өтуі керек. Бұл пеш 1000-ден 1800°C дейінгі температурада жұмыс істейді және оттегісіз ортаны сақтауы керек (әйтпесе көміртек көміртек диоксидіне айналатын болады).

Осындай экстремалды температура шарттарында талшықтың құрамындағы көміртектен басқа элементтердің (сутегі мен азот сияқты) соңғы іздері газ түрінде «шығып қалады». Нәтижеде таза көміртегіге жақын зат қалады (көміртегінің мөлшері 90%), оның молекулалық құрылымы реттелген «графитке ұқсас кристалдарға» қайта құрылады. Осы кезеңде «асфальт талшығы» ресми түрде «көміртекті талшық предшествнигіне» дейінгі күйге көтеріледі!

Көміртегі температурасы тікелей көміртегі талшықтарының құнын анықтайды: қарапайым өнеркәсіптік сортты көміртегі талшығын шамамен 1000°C-та өндіруге болады, ал әуежаюлық сапалы талшық үшін 2000°C-тан жоғары температура қажет. Бұл көміртегі кристалдарының тәртіпті орналасуын және бекіткіштіктің бірнеше есе өсуін қамтамасыз етеді, ал бұл өз кезегінде бағаның өсуіне әкеледі.

Бесінші қадам: Бетін өңдеу — Көміртегі талшығы үшін байланыстар орнату
Жаңадан көмірленген көміртегі талшығының беті шыныдай гладкий, ол смола немесе металл сияқты материалдармен байланысқанда «сырғанауға» бейім – буда екі жазық шыны пластинасын бір-біріне қысып, одан кейін тез арада бөліп тастағандай. Өңделгеннен кейін көміртегі талшығы матаға (бұрын қарастырылған көміртегі талшық мата) тоқылады немесе қысқа талшықтарға кесіледі, композитті материалдардың "негізгі сүйегін" құрайды.
Осы кездеңде асфальттан басталған 2-3 айлық "түрлену" сапары, ақыры аяқталды.

Бұл кішігірім фактілер адамдардың 90%-ына белгісіз!

1. Барлық көміртегі талшығы мұнай шайырынан алынбайды: мұнай шайырымен қатар, поликарбонитрил (PAN) және вискозды талшық та көміртегі талшығын өндіру үшін қолданылады. Жалпы өндірістің 90% -ы PAN негізіндегі көміртегі талшығынан тұрады, ал шайыр негізіндегі көміртегі талшығы жоғары сапалы, жоғары беріктік қолданбаларға жақсырақ сәйкес келеді.

2. Бір тонна көміртегі талшығын өндіру үшін 20 тонна шикізат қажет: шайырдан көміртегі талшығына дейінгі шығым 5%-дан төмен. Таңқаларлық емес, ол қымбат болуы табиғи.

3. Қытай монополияны бұзды: бұрын жоғары сапалы көміртегі талшық Еуропа, Америка және Жапония бақылауында болды. Қазір Қытай T1100-дәрежесіндегі көміртегі талшығын (әуежаю сапасындағы) массалық өндіруді игерді және оны импорттық тауарлардан 30% арзан бағаға сатады.

Сіз қандай көміртегі талшығымен кездестіңіз? өнімдер сіз кездестіңіз бе?
Көміртегі талшық шын мәнінде біздің күнделікті өмірімізден алыс емес: ғарыш және автожарыстардан тыс, қазір ол жоғары сапалы велосипед рамаларында, дрондардың иінтіректерінде және тіпті ұялы телефон корпусында да пайдаланылады.

Сіздің қоршаған ортаңызда көміртегі талшықтан жасалған өнімдерге тап болдыңыз ба? Әлде бұл материалдың болашақта қандай қолданысы болуы мүмкін деп ойлайсыз? Пікірлеріңізді біздің түсініктемелер арқылы бөлісіңіз!

Қарапайым мұнайлы асфальт бірнеше ай бойы ерекше түрленді, жоғары сапалы өндірістің негізіне айналған «қара алтын»-ға дамып өтті. Оның артында шексіз инженерлердің миллиметрлік дәлдікті қамтамасыз ету мақсатында жасап келе жатқан шаршаусыз еңбегі ғана емес, сонымен қатар адамзаттың материалдар ғылымының шектерін кеңейтуге ұмтылуы да жатыр. Келесі жолы сіз көміртегі талшықтан жасалған өнімге тап болғанда, оның бұрын мұнайдың қалдық затынан басқа ештеңе болмағанын еске түсіруіңіз мүмкін.