Како се угљенично влакно трансформише из нафте/битумена у „црно злато“?

Možete li da poverujete? Osnovni okvir reketi olimpijskih šampiona, koji su u stanju da udaraju kolutove brzinom od 300 km/h, F1 automobila čija tela izdrže ubrzanje od 0 do 100 km/h za 2,3 sekunde, pa čak i spoljašnji omotači svemirskih raketa koji prodiru kroz atmosferu – njihov temelj potiče od odbačenog „crnog ostatka“ koji ostaje nakon rafinacije nafte?

Danas istražujemo izuzetan uzlet ugljeničnih vlakana, materijala koji dominira naučnim istraživanjima. Otkrijte kako je skromni naftni asfalt prevazišao brojne prepreke da bi se transformisao u „crno zlato“ koje vredi više od srebra!

Zašto se naziva „crno zlato“?
Pre nego što krenemo na ovaj put transformacije, moramo prvo da odgovorimo na jedno osnovno pitanje: zašto se ugljenična vlakna često upoređuju sa zlatom?
(1) Njegova cena zaista zaslužuje poređenje sa zlatom: standardna ugljenična vlakna koštaju nekoliko hiljada juana po kilogramu, dok vrhunska ugljenična vlakna namenjena vazduhoplovstvu mogu dostići cenu od 20.000 juana po kilogramu – skuplja od srebra (oko 5 juana po gramu).

(2) Performanse su zaista izuzetne: teži samo četvrtinu čelika, a istovremeno ima deset puta veću čvrstoću, otporan je na koroziju u jakim kiselinama i ne postaje krhak na -180°C.

(3) Njegova retkost je zaista velika: samo oko jedanaest zemalja širom sveta poseduje tehnologiju masovne proizvodnje, a visokokvalitetno ugljenično vlakno svrstano je u „strategski materijal“ – zbog čega je teško dostupan čak i kada se želi nabaviti.

Ovaj „univerzalni igrač“ potiče iz asfalta, nusproizvoda prerade nafte – slično kao što se dijamanti dobijaju iz nasipa uglja, gde svaki korak pun iznenađenja.

Od asfalta do ugljeničnog vlakna: petokoračni proces 'alkemije' u kojem ni jedan korak ne sme biti preskočen!

Prvi korak: odabir sirovina — najbolje od najboljeg: premium bitumen
Не сва асфалтна смола може да се враћа у употребу. Асфалт који обично користимо за изградњу путева садржи превише нечистоћа и има низак садржај угљеника, због чега је непогодан за употребу. Само „асфалт посебне класе“ високе чистоће, високог садржаја угљеника (90%) и ниског садржаја сумпора и метала може бити употребљен за производњу угљеничних влакана.

Инжењери користе екстракцију помоћу растварача да би „купали“ асфалт: потапају га у специјализоване раствараче како би филтрирали нечистоће попут сумпора, азота и тешких метала, слично као што се просејује песак. Затим дестилација усавршава његову молекулску структуру, омогућавајући му потенцијал да се извлачи у филаменте и издржи високе температуре.

Ова фаза подсећа на бирање спортиста: само они са „јаким основама“ могу издржати каснију интензивну обуку.

Корак два: Вучење — изvlaчење „златних нити“ дебљине десет puta тањих од људске длаке.
Очишћени битумен се загрева на температуру од 200–300°C, претварајући се у медењасту вискозну „течност“. Ова течност се затим притиска кроз „плочу за извлачење“ испрснутих малим отворима — сваки пречника само 5–50 микрометара (у поређењу са људском длаком која има 50–100 микрометара), танји него игла за вез!

Асфалтне филаменте које излазе кроз ове отворе одмах се потапају у хладну воду или студени ваздух да би се „охладиле и затврдиле“, формирајући непрекидне „нити асфалтних филамената“. Овај корак захтева изузетну техничку вештину: благо већа брзина извлачења може довести до прекидања филамената; благо нижа температура хлађења чини их кртким; чак и један блокирани отвор може учинити цео серијски производ негодним.

Могло би се рећи да је то „вештачко прављење свиленог репеја“, само што је „филамент“ који се извлачи десет пута тањи од свиле.

Трећи корак: Преоксидација — Навлачење „ватроотпорног одела“ на филамент
Свеже извучена асфалтна филаментна нит је деликатна ствар: прекида се од најмањег повлачења и запали од најмање искре. Да би постала чврста и отпорна, први корак је да се начини негорива.

Сирова филаментна нит ставља се у пећ нагрејану на 150–300°C, где се споро загрева на ваздуху неколико сати. Током овог процеса, водоник и кисеоник постепено напуштају асфалтну нит. Њена молекуларна структура се мења из линеарне у мрежасту, а боја прелази из црне у тамно браон. Најважније, постаје негорива!

Овај корак се апсолутно не сме прескочити: ако се прескочи предоксидација и пређе директно на обраду на високој температури, асфалтна влакна ће се тренутно запалити, што чини све претходне напоре узалудним. Штавише, брзина загревања мора бити спора; убрзање би довело до „неједнаког унутрашњег напона“ у влакну, што изазива пуцање.

Корак четврти: Карбонизација — Довођење до високих температура како би се добио „чист карбонски скелет“
Сирови филамент, сада обавијен у своју „ватроотпорну одећу“, мора да прође „крајњи тест“ унутар пећи за карбонизацију. Ова пећ ради на температурама између 1000 и 1800°C и мора одржавати средину без кисеоника (иначе би угљеник оксидовао у угљен диоксид).

Под овим екстремним температурама, последњи трагови елемената који нису угљеник (као што су водоник и азот) унутар филамента „напуштају“ га као гасови. Оно што остаје је скоро чист угљеник (садржај угљеника 90%), чија се молекулска структура прегрупаје у уређене „кристале попут графита“. У овој фази, „асфалтни филамент“ званично се надогради у „претечу угљеничних влакана“!

Температура карбонизације директно одређује вредност угљеничног влакна: обично индустријско влакно се може производити на око 1000°C, док за влакно намењено аеропростору потребне су температуре преко 2000°C. То резултира уређенијим распоредом угљеничних кристала и чврстоћом која се повећава неколико пута, што природно утиче на цијену.

Пети корак: Третман површине — успостављање веза за угљенично влакно
Свеже карбонизовано угљенично влакно има површину глатку као стакло, која има тенденцију да „клизне“ приликом лепљења са материјалима као што су смола или метал – баш као два глатка комада стакла притиснута један на други, који се затим лако одвоје. Након третмана, угљенично влакно се потом преплиће у ткиво (углјенично платно о коме је речено раније) или се исеца на кратка влакна, формирајући „основни скелет“ композитних материјала.
У овом тренутку, завршен је двомесечни до тромесечни „метаморфозни“ пут који је започео са асфалтом.

Ове малобројне чињенице непознате су 90% људи!

1. Не сва је једнако влакна од карбона направљена од петролског пича: поред петролског пича, за производњу влакана од карбона могу се користити и полиакрилонитрил (PAN) и вискозно влакно. Влакна на бази PAN-а чине 90% светске производње, док су влакна заснована на пику боље погодна за високоперформантне, високочврсте примене.

2. Производња једне тоне влакана од карбона захтева 20 тона сировина: од пича до карбон влакна, стопа приноса је испод 5%. Није чудно што је толико скуп.

3. Кина је прекинула монопол: раније су висококвалитетна карбон влакна била под контролом Европе, Америке и Јапана. Данас, Кина масовно производи карбон влакна класе T1100 (за аеропростор), по цени која је за 30% нижа од увозних.

Које карбон влакно пРОИЗВОДИ сте до сада сусрели?
Влакна од карбона заправо нису далека од нашег свакодневног живота: изван аеропростора и тркачких спортова, данас се користе за оквире висококвалитетних бицикла, робове дронова, па чак и кућишта мобилних телефона.

Да ли сте се сусрели са производима од карбон влакна у својој околини? Или које будуће примене очекујете за овај материјал? Поделите своје мишљење у коментарима!

Скромни петролејски асфалт преточио се кроз неколико месеци у „црно злато“ које је основа премијум производње. Иза овога стоји непрестани тражење прецизности на нивоу милиметра од стране бројних инжењера, као и стална тежња човечанства да прошири границе науке о материјалима. Следећи пут када наиђете на производ од карбон влакна, можда ћете се сетити: некада је започео као готово нешто што је било отпадна петролејска маса.