W jaki sposób węgiel szklany przekształca się z ropy naftowej/bitumu w "czarne złoto"?

Czy możesz w to uwierzyć? Podstawowa konstrukcja rakiet olimpijczyków, potrafiących uderzać lotki z prędkością 300 km/h, samochodów Formuły 1, których karoseria wytrzymuje przyspieszenie od 0 do 100 km/h w 2,3 sekundy, a nawet powłoki zewnętrzne rakiet kosmicznych przebijających atmosferę – ich rdzeń pochodzi z porzuconego 'czarnego pozostałości' powstałej po rafinacji ropy naftowej?

Dziś zagłębiamy się w niezwykły wzrost włókna węglowego, materiału uchodzącego za 'króla' nauki o materiałach. Odkryj, jak skromny asfalt naftowy pokonał liczne próby, by przemienić się w 'czarne złoto' wartego więcej niż srebro!

Dlaczego nazywane jest 'czarnym złotem'?
Zanim rozpoczniesz tę podróż transformacji, najpierw przyjrzymy się fundamentalnemu pytaniu: dlaczego włókno węglowe często porównuje się do złota?
(1) Jego cena rzeczywiście jest 'godna złota': standardowe włókno węglowe kosztuje kilka tysięcy yuanów za kilogram, a wysokiej klasy włókno lotnicze może osiągać cenę nawet 20 000 yuanów za kilogram – więcej niż srebro (około 5 yuanów za gram).

(2) Wydajność jest imponująca: waży zaledwie jedną czwartą stali, a jednocześnie posiada dziesięciokrotnie większą wytrzymałość, odporność na korozję w silnych kwasach i nie pęka w temperaturze -180°C.

(3) Jej rzadkość jest naprawdę imponująca: jedynie kilkanaście krajów na świecie dysponuje technologią produkcji masowej, a węgiel włóknisty wysokiej jakości jest klasyfikowany jako "materiał strategiczny" – co czyni go trudnym do pozyskania, nawet gdy się tego pragnie.

Ten "uniwersalista" pochodzi z asfaltu, produktu ubocznego rafinacji ropy naftowej – podobnie jak wydobywanie diamentów ze stert węgla, przy czym każdy etap kipi cudem.

Od asfaltu do włókna węglowego: pięciokrotny proces 'alkimii', w którym żaden krok nie może zostać pominięty!

Krok pierwszy: dobór materiału — elitarny sortiment: wysokiej jakości bitum
Nie każdy bitum nadaje się do odzysku. Bitum, którego zwykle używamy w budownictwie drogowym, zawiera zbyt wiele zanieczyszczeń i ma niską zawartość węgla, przez co jest niewłaściwy. Tylko "bitum specjalnego gatunku" o wysokiej czystości, dużej zawartości węgla (90%) oraz niskiej zawartości siarki i metali może być stosowane w produkcji włókien węglowych.

Inżynierowie stosują ekstrakcję rozpuszczalnikową, aby "kąpać" asfalt: zanurzają go w specjalistycznych rozpuszczalnikach, by odfiltrować zanieczyszczenia takie jak siarka, azot i metale ciężkie, podobnie jak przesiewanie piasku. Destylacja następnie ulepsza jego strukturę molekularną, nadając mu potencjał bycia wyciąganym w filamenty i wytrzymywania wysokich temperatur.

Ten etap przypomina dobór sportowców: tylko ci o "silnych fundamentach" mogą wytrzymać kolejne intensywne szkolenia.

Krok drugi: Przędzenie — wyciąganie "złotych nitek" dziesięć razy cieńszych niż włos ludzki.
Oczyszczony bitum jest ogrzewany do temperatury 200–300°C, zmieniając się w gęsty, przypominający miód "stop". Masa ta jest następnie wtłaczana przez płytę dyszową przebijaną licznymi drobnymi otworami — każdy o średnicy zaledwie 5–50 mikrometrów (w porównaniu do 50–100 mikrometrów włosów ludzkich), cieńszymi niż igła do haftu!

Nitki asfaltowe wytłaczane przez te otwory są natychmiast zanurzane w zimnej wodzie lub chłodnym powietrzu, aby "schłodzić i ustalić", tworząc ciągłe "strumienie nitki asfaltowej". Ten etap wymaga wyjątkowych umiejętności technicznych: nieco wyższa prędkość wytłaczania powoduje pęknięcie nitek; nieco niższe temperatury chłodzenia sprawiają, że stają się kruche; nawet jeden zablokowany otwór może uczynić całą partię nitek nieprzydatną do użycia.

Można to porównać do "sztucznego wytwarzania kokonów jedwabników", z tą różnicą, że wytłaczana "nitka" jest dziesięć razy cieńsza niż jedwab.

Krok trzeci: Pre-utlenianie — Nadanie nici „ognioodpornego ubrania”
Właśnie utworzona nitka asfaltowa jest bardzo delikatna: pęka przy najmniejszym naciągnięciu i zapala się od najmniejszego iskrzenia. Aby stała się odporna i elastyczna, pierwszym krokiem jest uczynienie jej ognioodporną.

Surowy filament umieszcza się w piecu nagrzanym do temperatury 150–300°C, gdzie poddaje się go powolnemu ogrzewaniu w powietrzu przez kilka godzin. W tym procesie atomy wodoru i tlenu stopniowo uchodzą z asfaltowego filamentu. Jego struktura molekularna zmienia się z liniowej na sieciową, a kolor przechodzi z czarnego na ciemnobrązowy. Co najważniejsze – staje się on odporny na ogień!

Tego etapu absolutnie nie można pominąć: pominięcie utleniania i przejście bezpośrednio do obróbki w wysokiej temperaturze spowodowałoby natychmiastowe spalenie się włókna z asfaltu, co uczyniłoby wszystkie poprzednie działania bezcelowymi. Co więcej, szybkość ogrzewania musi być powolna; jej przyśpieszenie prowadziłoby do "nierównomiernego naprężenia wewnętrznego" we włóknie, powodując powstawanie pęknięć.

Krok czwarty: Karbonizacja — docelowanie w wysokiej temperaturze w celu wytworzenia "czystego szkieletu węglowego"
Surowy filament, teraz pokryty swoim "ognioodpornym ubraniem", musi przejść "ostateczny test" w piecu karbonizacyjnym. Piec ten pracuje w temperaturach od 1000 do 1800°C i musi zapewniać środowisko pozbawione tlenu (w przeciwnym razie węgiel utleniłby się do dwutlenku węgla).

W warunkach tych ekstremalnych temperatur ostatnie śladowe ilości pierwiastków innych niż węgiel (takich jak wodór i azot) uciekają z filamentu w postaci gazów. Pozostaje niemal czysty węgiel (zawartość węgla 90%), którego struktura molekularna reorganizuje się w uporządkowane "kryształy typu grafitowego". W tym etapie "filament asfaltowy" oficjalnie zostaje przeobrażony w "prekursor włókna węglowego"!

Temperatura karbonizacji bezpośrednio decyduje o wartości włókna węglowego: zwykłe przemysłowe włókno węglowe można wyprodukować w temperaturze około 1000°C, podczas gdy do produkcji włókna węglowego klasy lotniczej wymagane są temperatury przekraczające 2000°C. To prowadzi do bardziej uporządkowanego ułożenia kryształów węgla oraz wielokrotnego wzrostu wytrzymałości, co naturalnie wpływa na podwyższenie ceny.

Krok piąty: Obróbka powierzchni — tworzenie połączeń dla włókna węglowego
Świeżo skarbonizowane włókno węglowe ma powierzchnię gładką jak szkło, która ma tendencję do 'ślizgania się' podczas łączenia z materiałami takimi jak żywica czy metal – zupełnie jak dwa gładkie szyby szklane dociskane do siebie, które łatwo rozdzielić jednym ruchem. Następnie obrabiane włókno węglowe jest tkane w tkaninę (czyli wcześniej wspomnianą tkaninę z włókna węglowego) lub cięte na krótkie włókna, tworząc "rdzeniowy szkielet" materiałów kompozytowych.
W tym momencie kończy się 2-3 miesięczna "metamorfoza", która rozpoczęła się od asfaltu.

Te mało znane fakty są nieznane aż 90% ludzi!

1. Nie cały włóknik węglowy pochodzi z smoły naftowej: obok smoły naftowej do produkcji włókna węglowego można również wykorzystać poliakrylonitryl (PAN) oraz włókno wiskozowe. Włókno węglowe na bazie PAN stanowi 90% światowej produkcji, podczas gdy włókno oparte na smole lepiej nadaje się do zastosowań wysokiej klasy i wymagających dużej wytrzymałości.

2. Produkcja jednej tony włókna węglowego wymaga 20 ton surowców: od smoły do włókna węglowego stopa wydajności spada poniżej 5%. Mało wonder, że jest tak drogie.

3. Chiny złamały monopol: wcześniej włókno węglowe wysokiej klasy było kontrolowane przez Europę, Amerykę i Japonię. Obecnie Chiny osiągnęły masową produkcję włókna węglowego klasy T1100 (klasa lotnicza), oferowanego po cenie o 30% niższej niż importowane.

Jakie włókno węglowe pRODUKTY spotkałeś?
Włókno węglowe wcale nie jest odległe od naszego codziennego życia: poza przemysłem lotniczym i wyścigami samochodowymi, znajduje się już w ramach wysokiej klasy rowerów, ramionach dronów, a nawet obudowach telefonów komórkowych.

Czy spotkałeś się już z produktami z włókna węglowego w swoim otoczeniu? Albo jakie przyszłe zastosowania widzisz dla tego materiału? Podziel się swoimi przemyśleniami w komentarzach!

Niespostrzegany asfalt naftowy przeszedł przez kilka miesięcy niezwykłą transformację, stając się "czarnym złotem" leżącym u podstaw zaawansowanej produkcji. Za tym stoi nieustanne dążenie niezliczonych inżynierów do precyzji na poziomie milimetra, a także trwająca walka człowieka o poszerzanie granic nauki o materiałach. Kolejnym razem, gdy napotkasz produkt z włókna węglowego, możesz przypomnieć sobie: kiedyś zaczynał jako nic nieznaczący odpad po rafinacji ropy naftowej.