Kaip anglies pluoštas virsta iš naftos/bitumo „juoda auksu“?

Ar galite patikėti? Pagrindinė olimpinių čempionų raketų konstrukcija, gebanti trenkti kamuoliukus 300 km/h greičiu, Formulės 1 automobilių korpusai, išlaikantys 0–100 km/h įgreitėjimą per 2,3 sekundės, netgi kosminių raketų apvalkalai, pramušantys atmosferą – visų šių dalykų pagrindas kyla iš atmetamo „juodojo likučio“, kuris lieka po naftos perdirbimo?

Šiandien panirsime į stebėtina anglies pluošto, medžiagų mokslo „lyderio“, kėlimąsi. Sužinokite, kaip kuklus naftos asfaltas įveikė begales išbandymų, kad virstų „juoduoju auksu“, vertingu net daugiau nei sidabras!

Kodėl jis vadinamas „juoduoju auksu“?
Prieš pradėdami šią transformacijos kelionę, pirmiausia atsakykime į vieną pagrindinį klausimą: kodėl anglies pluoštas dažnai lyginamas su auksu?
(1) Jo kaina tikrai yra „aukso vertės“: standartinis anglies pluoštas kainuoja kelis tūkstančius juanų už kilogramą, o aukštos kokybės aviacinio lygio anglies pluoštas gali kainuoti iki 20 000 juanų už kilogramą – brangiau nei sidabras (apie 5 juanus už gramą).

(2) Našumas yra išties įspūdingas: sveria tik vieną ketvirtadalį plieno, tačiau turi dešimt kartų didesnę stiprybę, atsparus stipriems rūgštims ir nesulūžta esant -180 °C.

(3) Jo trūkumas iš tiesų yra įspūdingas: visame pasaulyje tik apie dvylika šalių turi masinės gamybos technologiją, o aukščiausios kokybės anglies pluoštas yra priskiriamas „strateginėms medžiagoms“ – todėl jį sunku įsigyti net tuo atveju, jei to norima.

Šis „visapusiškai talentingas“ produktas kyla iš bitumo, naftos perdirbimo atliekos – panašiai kaip deimantų gavyba iš anglių krūvos, kai kiekvienas žingsnis pilnas stebuklo.

Iš bitumo į anglies pluoštą: penkių etapų 'alchemijos' procesas, kuriame negalima praleisti nė vieno žingsnio!

Pirmas žingsnis: medžiagos atranka – geriausia iš geriausių: aukščiausios kokybės bitumas
Ne visi bitumai gali būti perdirbti. Bitumas, kurį paprastai naudojame kelio statybai, turi per daug priemaišų ir mažą anglies kiekį, todėl jis netinka naudoti anglies pluošto gamybai. Tik „ypatingos rūšies bitumas“, turintis didelę grynumą, aukštą anglies kiekį (90 %) bei žemą sieros ir metalų kiekį, gali būti naudojamas anglies pluošto gamybai.

Inžinieriai taiko tirpiklio ekstrakciją, kad „nupraustų“ asfaltą: jie jį panardina į specialius tirpiklius, kad išfiltruotų tokius užterštumus kaip siera, azotas ir sunkieji metalai, panašiai kaip per sietą perberamas smėlis. Tada distiliacija tobulina jo molekulinę struktūrą, suteikdama jam gebėjimą būti ištemptam į siūlus ir atlaikyti aukštą temperatūrą.

Šis etapas primena sportininkų atranką: tik tie, kurie turi „tvirtą pagrindą“, gali išlaikyti vėlesnius intensyvius treniruotes.

Antras žingsnis: Žavingas – ištraukiami „auksiniai siūlai“, dešimt kartų plonesni nei plauko skersmuo.
Išvalytas bitumas kaitinamas iki 200–300 °C, virsta medaus panašia klampia „lydine“. Ši lydinė tada perpurškiama per „trysnių plokštę“, nusėtą mažyčiais angotais – kiekvieno skersmuo tik 5–50 mikrometrų (palyginti su žmogaus plauku, kurio skersmuo 50–100 mikrometrų), dar smulkesni už siuvimo adatą!

Per šiuos angotus išspaudžiami asfalto siūlai nedelsiant panardinami į šaltą vandenį arba šaltą orą, kad būtų „atvėsinti ir sustumdyti“, sudarant nuolatinius „asfalto siūlų laidus“. Šis etapas reikalauja išskirtinės techninės meistriškumo: šiek tiek didesnis spaudimo greitis gali priversti siūlus nutrūkti; šiek tiek žemesnės aušinimo temperatūros padaro juos trapiais; net vienas užsikimšęs angotas gali padaryti visą siūlų partiją nevartotiną.

Galima tai palyginti su „dirbtiniu šilko kirminų kokonų gamyba“, tik čia išspaudžiamas „siūlas“ yra dešimt kartų storesnis nei šilkas.

Trečias žingsnis: Pirminis oksidavimas – siūlo aprengimas „ugniai atsparia apranga"
Neseniai ištempta asfalto siūlas yra jautri mažytė būtybė: ji nutrūksta nuo menkiausio traukimo ir užsidega nuo menkiausios kibirkšties. Norint padaryti ją tvirtą ir atsparią, pirmas žingsnis – padaryti ugniai atsparią.

Žaliavinis siūlas dedamas į krosnį, kurioje temperatūra pakeliama iki 150–300 °C, ir lėtai kaitinamas ore kelias valandas. Šio proceso metu iš asfalto siūlo palaipsniui išsiskiria vandenilis ir deguonis. Jo molekulinė struktūra keičiasi iš tiesinės į tinklinę būseną, o spalva tampa nuo juodos iki tamsiai rudos. Svarbiausia – ji tampa ugniai atspari!

Šio žingsnio absoliučiai negalima praleisti: jei praleistume oksidavimą ir pereitume tiesiai prie aukštos temperatūros apdorojimo, asfalto pluoštas akimirksniu sudegtų, paverčiant visas ankstesnes pastangas niekais. Be to, kaitinimo greitis turi būti lėtas; skubėjimas sukeltų „nelygų vidinį įtempį“ pluošte, dėl ko atsirastų įtrūkimų.

Ketvirtas žingsnis: Anglinimas – tobulinimas aukštoje temperatūroje, kad būtų gautas „gryno anglies skeletas"
Žaliavinis siūlas, aprengtas „ugniai atsparia drabužiu“, turi būti suteptas „galutiniu išmėginimu“ anglies formavimo krosnyje. Ši krosnis veikia temperatūrose nuo 1000 iki 1800 °C ir turi užtikrinti be deguonies aplinką (priešingu atveju anglis oksiduotųsi į anglies dioksidą).

Tokiomis ekstremaliomis temperatūromis paskutiniai neanglinių elementų (tokių kaip vandenilis ir azotas) pėdsakai siūle „išsiskiria“ kaip dujos. Lieka beveik gryna anglis (anglies turinys 90 %), kurios molekulinė struktūra pertvarkoma į tvarkingas „grafitui panašias kristalines“ struktūras. Šioje stadijoje „bituminis siūlas“ oficialiai tampa „anglies pluošto pirmtaku“!

Karbonizacijos temperatūra tiesiogiai nulemia anglies pluošto vertę: apie 1000 °C galima pagaminti įprastą pramoninės kokybės anglies pluoštą, o aviacijos klasės pluoštui reikalinga daugiau nei 2000 °C temperatūra. Dėl to susidaro tvarkingesnė anglies kristalų struktūra ir kelis kartus padidėja stipris, kas natūraliai didina kainą.

Penktas žingsnis: Paviršiaus apdorojimas – jungčių su anglies pluoštu užmezgimas
Neseniai karbonizuotas anglies pluoštas turi stiklą primenančią lygią paviršių, kuris jungiantis su medžiagomis, tokiomis kaip dervos ar metalai, linkęs „slysti“ – panašiai kaip du lygūs stiklo lakštai, prispaudus vieną prie kito, bet lengvai atsiskiriantys. Apdorotas anglies pluoštas vėliau yra audžiamas į audinį (ankstesniame tekste aptartas anglies pluošto audinys) arba supjaustomas į trumpus pluoštus, sudarydamas kompozitinių medžiagų „pagrindinį skeletą“.
Šiuo metu baigiasi 2–3 mėnesių „metamorfozės“ kelionė, kuri prasidėjo nuo bitumo.

Šios mažai žinomos faktų apie 90 % žmonių nežino!

1. Ne visos anglies pluošto rūšys gaunamos iš naftos dervos: šalia naftos dervos, anglies pluoštas taip pat gali būti gamintas iš poliakrilonitilo (PAN) ir vikozinio pluošto. Iš PAN pagamintas anglies pluoštas sudaro 90 % visos pasaulinės produkcijos, tuo tarpu iš dervos pagamintas anglies pluoštas geriau tinka aukštos kokybės, didelės stiprybės taikymo sritims.

2. Vienam tonai anglies pluošto pagaminti reikia 20 tonų žaliavų: nuo dervos iki anglies pluošto išeiga yra mažesnė nei 5 %. Nenuostabu, kad jis toks brangus.

3. Kinija sulaužė monopolį: anksčiau aukštos kokybės anglies pluoštą kontroliavo Europa, JAV ir Japonija. Dabar Kinija pasiekė T1100 klasės anglies pluošto (oro erdvės pramonės klasė) masinę gamybą, kuri yra 30 % pigesnė nei importuojama.

Kokį anglies pluoštą pREKĖS jūs sutikote?
Anglies pluoštas iš tikrųjų mūsų kasdieniame gyvenime visai ne tolimas: be aviacijos ir lenktynių sporto, jis dabar naudojamas aukštos kokybės dviračių rėmuose, dronų parankėse ir net mobiliųjų telefonų korpusuose.

Ar esate susidūrę su anglies pluošto produktais savo aplinkoje? Arba kokias ateities taikymo galimybes matote šiam medžiagai? Dalinkitės savo nuomonėmis komentaruose!

Nepretenzingas naftos bitumas per kelis mėnesius patyrė nepaprastą transformaciją, virstant „juoduoju auksu“, kuris yra aukštos kokybės gamybos pagrindas. Už šio proceso slypi beveik milimetrų tikslumo siekis tūkstančių inžinierių, taip pat žmonijos nuolatinis troškimas išstumti medžiagų mokslą į naujas ribas. Kitą kartą, kai susidursite su anglies pluošto produktu, galbūt prisiminkite: jis kažkada prasidėjo vos kaip atmetamas naftos likutis.