Hoe verandert koolstofvezel van aardolie/bitumen in "zwart goud"?

Kun je het geloven? Het kernframe van de rackets van Olympische kampioenen die badmintonballen kunnen slaan met een snelheid van 300 km/u, Formule 1-auto's met carrosserieën die een acceleratie van 0-100 km/u in 2,3 seconden aankunnen, zelfs de buitenste omhulsels van raketten die de atmosfeer doordringen – hun draagconstructie komt allemaal voort uit de weggegooide 'zwarte rest' na olie-raffinage?

Vandaag duiken we in de opmerkelijke opkomst van koolstofvezel, de 'topdog' binnen de materiaalkunde. Ontdek hoe eenvoudige petroleumasfalt talloze beproevingen overleefde om te veranderen in 'zwart goud' dat meer waard is dan zilver!

Waarom wordt het 'zwart goud' genoemd?
Voordat we deze transformatiereis beginnen, moeten we eerst een fundamentele vraag beantwoorden: waarom wordt koolstofvezel vaak vergeleken met goud?
(1) De prijs is echt 'goud waard': standaard koolstofvezel kost enkele duizenden yuan per kilogram, terwijl hoogwaardige aerospace-kwaliteit koolstofvezel tot wel 20.000 yuan per kilogram kan opbrengen – duurder dan zilver (ongeveer 5 yuan per gram).

(2) De prestaties zijn indrukwekkend: met slechts een kwart van het gewicht van staal, maar tien keer de sterkte, is het bestand tegen corrosie in sterke zuren en blijft het onbreekbaar bij -180°C.

(3) Haar schaarste is echt indrukwekkend: slechts een dozijn of zo landen wereldwijd beschikken over massaproductietechnologie, waarbij hoogwaardige koolstofvezel wordt geclassificeerd als een "strategisch materiaal" – waardoor het moeilijk te verkrijgen is, zelfs wanneer gewenst.

Deze "allrounder" komt voort uit asfalt, een bijproduct van de raffinage van aardolie – vergelijkbaar met het winnen van diamanten uit steenkool, waarbij elke stap vol verwondering is.

Van asfalt naar koolstofvezel: een vijfstappen-'alchemie'-proces waarbij geen enkele stap mag worden overgeslagen!

Stap één: Materiaalselectie — De crème de la crème: hoogwaardig bitumen
Niet alle bitumen kan een comeback maken. Het bitumen dat we meestal gebruiken voor wegenbouw bevat te veel onzuiverheden en heeft een laag koolstofgehalte, waardoor het ongeschikt is. Alleen "speciaal-gradatie bitumen" met hoge zuiverheid, hoog koolstofgehalte (90%) en laag zwavel- en metalengehalte kan worden gebruikt voor de productie van koolstofvezel.

Ingenieurs gebruiken oplosmiddelextractie om het asfalt te "baden": het onderdompelen in gespecialiseerde oplosmiddelen om onzuiverheden zoals zwavel, stikstof en zware metalen te filteren, vergelijkbaar met het zeven van zand. Vervolgens verfijnt destillatie de moleculaire structuur, waardoor het potentieel krijgt om tot filamenten getrokken te worden en hoge temperaturen te weerstaan.

Deze fase lijkt op het selecteren van atleten: alleen zij met een "sterke basis" kunnen de daaropvolgende intensieve training doorstaan.

Stap Twee: Spinnen — het trekken van "gouden draden" die tien keer fijner zijn dan een haar.
Het gezuiverde bitumen wordt opgewarmd tot 200–300 °C, waardoor het verandert in een stroperige "smelt", vergelijkbaar met honing. Deze smelt wordt vervolgens door een "spinneretplaat" geperst die gevuld is met kleine openingen — elk met een diameter van slechts 5–50 micrometer (vergeleken met de 50–100 micrometer van een mensenhaar), fijner dan een borduurnaald!

De asfaltfilamenten die door deze openingen worden geperst, worden onmiddellijk ondergedompeld in koud water of gekoelde lucht om 'af te koelen en vast te stollen', waarbij continue 'asfaltfilamentstrengen' ontstaan. Deze stap vereist uitzonderlijke technische vaardigheid: een iets hogere perssnelheid zorgt ervoor dat de filamenten breken; een iets lagere koeltemperatuur maakt ze breekbaar; zelfs één verstopte opening kan een volledige batch filamenten onbruikbaar maken.

Men zou het kunnen vergelijken met 'het kunstmatig produceren van zijderupsnepen', behalve dat het geperste 'filament' tien keer fijner is dan zijde.

Stap Drie: Vooroxidatie — Het filament voorzien van een 'brandwerend pak'
Het vers gesponnen asfaltfilament is nog erg breekbaar: het breekt bij de minste trekkracht en vatte vlam bij de kleinste vonk. Om het taai en veerkrachtig te maken, is de eerste stap om het brandwerend te maken.

De ruwe filament wordt in een oven geplaatst die verwarmd is tot 150-300°C, waar het gedurende enkele uren langzaam in lucht wordt opgewarmd. Tijdens dit proces ontsnappen geleidelijk waterstof- en zuurstofelementen uit de asfaltfilament. De moleculaire structuur verandert van lineair naar een netwerkstructuur, en de kleur verandert van zwart naar donkerbruin. Belangrijk is dat het vuurvast wordt!

Deze stap mag absoluut niet worden overgeslagen: het overslaan van de vooroxidatie en direct doorgaan naar verwerking bij hoge temperatuur zou ervoor zorgen dat de asfaltvezel direct zou verbranden, waardoor alle eerdere inspanningen vruchteloos zouden zijn. Bovendien moet de opwarmingsnelheid traag zijn; te snel zou leiden tot "ongelijkmatige interne spanning" binnen de vezel, wat barsten veroorzaakt.

Stap vier: Carbonisatie — Verfijning bij hoge temperaturen om een "zuiver koolstofskelet" te produceren
De ruwe filament, nu bekleed met zijn "brandwerende kleding", moet de "ultieme proef" ondergaan in de carbonisatieoven. Deze oven werkt bij temperaturen tussen de 1000 en 1800°C en moet een zuurstofvrije omgeving behouden (anders zou de koolstof oxideren tot koolstofdioxide).

Bij deze extreme temperaturen ontsnappen de laatste sporen van niet-koolstofelementen (zoals waterstof en stikstof) uit de filament als gassen. Wat overblijft is bijna zuivere koolstof (koolstofgehalte 90%), waarbij de moleculaire structuur zich herschikt in geordende "grafiet-achtige kristallen". Op dit moment wordt de "asfaltfilament" formeel opgewaardeerd tot "voorloper van koolstofvezel"!

De carbonisatietemperatuur bepaalt rechtstreeks de waarde van koolstofvezel: gewone industriele kwaliteit koolstofvezel kan worden geproduceerd bij ongeveer 1000°C, terwijl lucht- en ruimtevaartkwaliteit temperaturen boven de 2000°C vereist. Dit resulteert in een geordender kristalstructuur van koolstof en een sterkte die meervoudig toeneemt, wat op natuurlijke wijze de prijs verhoogt.

Stap Vijf: Oppervlaktebehandeling — Verbindingen creëren voor koolstofvezel
Vers gecarboniseerde koolstofvezel heeft een oppervlak dat zo glad is als glas, waardoor het gemakkelijk 'wegschuift' bij het verbinden met materialen zoals hars of metaal – net als twee gladde glasplaten die tegen elkaar worden gedrukt, maar met een klik weer uit elkaar schieten. De behandelde koolstofvezel wordt daarna geweven tot weefsel (de eerder besproken koolstofvezelstof) of gesneden in korte vezels, waarmee het 'kernskelet' van composietmaterialen wordt gevormd.
Op dit moment is de 2-3 maanden durende 'metamorfose'-reis die begon met asfalt eindelijk voltooid.

Deze weinig bekende feiten zijn onbekend bij 90% van de mensen!

niet alle koolstofvezel komt voort uit petroleumhars: naast petroleumhars kunnen ook polyacrylonitril (PAN) en viscosevezel worden gebruikt om koolstofvezel te produceren. Koolstofvezel op basis van PAN vertegenwoordigt 90% van de wereldproductie, terwijl op hars gebaseerde koolstofvezel beter geschikt is voor hoogwaardige, hoogsterkte toepassingen.

de productie van één ton koolstofvezel verbruikt 20 ton grondstoffen: van hars tot koolstofvezel ligt het rendement onder de 5%. Geen wonder dat het zo duur is.

china heeft het monopolie doorbroken: eerder werd hoogwaardige koolstofvezel gedomineerd door Europa, Amerika en Japan. Inmiddels heeft China massaproductie bereikt van T1100-klasse koolstofvezel (lucht- en ruimtevaartklasse), tegen een prijs die 30% lager ligt dan geïmporteerde varianten.

Welke koolstofvezel producten hebt u al tegengekomen?
Koolstofvezel is in feite verre van afstandelijk in ons dagelijks leven: buiten de lucht- en ruimtevaart en motorsport om, komt het nu ook voor in frames van high-end fietsen, armen van drones en zelfs in behuizingen van mobiele telefoons.

Ben je al eens koolstofvezelproducten tegengekomen in je omgeving? Of welke toekomstige toepassingen zie je voor dit materiaal? Deel je gedachten in de reacties!

De bescheiden petroleumasfalt onderging een opmerkelijke transformatie over een periode van meerdere maanden, en ontwikkelde zich tot de 'zwarte goud' die ten grondslag ligt aan hoogwaardige productie. Achter deze ontwikkeling zit de onvermoeibare zoektocht naar millimeterprecisie door talloze ingenieurs, evenals de voortdurende menselijke poging om de grenzen van de materiaalkunde te verleggen. De volgende keer dat je een koolstofvezelproduct tegenkomt, kan het zijn dat je bedenkt: het begon ooit als bijna niets meer dan afgeworpen restanten van aardolie.