เส้นใยคาร์บอนถูกแปรสภาพจากน้ำมันดิบ/ยางมะตอยกลายเป็น "ทองคำสีดำ" ได้อย่างไร?

คุณจะเชื่อไหม? กรอบโครงสร้างหลักของไม้แร็กเก็ตแชมป์โอลิมปิกที่สามารถตีลูกขนไก่ด้วยความเร็ว 300 กม./ชม. รถแข่งฟอร์มูล่าวันที่ตัวถังทนต่อการเร่ง 0-100 กม./ชม. ใน 2.3 วินาที หรือแม้แต่เปลือกนอกของจรวจที่พุ่งทะลุชั้นบรรยากาศ – แกนหลักทั้งหมดเหล่านี้ล้วนมาจาก "กากดำ" ที่ถูกทิ้งไปหลังกระบวนการกลั่นน้ำมัน

วันนี้เราจะเจาะลึกถึงการเติบโตอย่างน่าทึ่งของเส้นใยคาร์บอน ซึ่งเป็น 'ผู้นำ' ด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ เรียนรู้ว่าเหตุใดยางมะตอยจากปิโตรเลียมธรรมดาๆ จึงสามารถผ่านอุปสรรคต่างๆ มาได้ และกลายเป็น 'ทองคำสีดำ' ที่มีมูลค่ามากกว่าเงิน!

ทำไมจึงเรียกว่า "ทองคำสีดำ"?
ก่อนจะเริ่มต้นเดินทางแห่งการเปลี่ยนแปลงนี้ เรามาตอบคำถามพื้นฐานกันก่อนว่า ทำไมเส้นใยคาร์บอนจึงมักถูกเปรียบเทียบกับทองคำ
(1) ราคาของมันสมควรได้รับสมญานาม 'ทองคำ': เส้นใยคาร์บอนทั่วไปมีราคาหลายพันหยวนต่อกิโลกรัม ในขณะที่เส้นใยคาร์บอนเกรดอากาศยานระดับสูงสามารถขายได้ถึง 20,000 หยวนต่อกิโลกรัม — แพงกว่าเงิน (ประมาณ 5 หยวนต่อกรัม)

(2) ประสิทธิภาพโดดเด่น: มีน้ำหนักเพียงหนึ่งในสี่ของเหล็ก แต่มีความแข็งแรงถึงสิบเท่า ทนต่อการกัดกร่อนจากกรดเข้มข้น และไม่เปราะแตกที่อุณหภูมิ -180°C

(3) ความขาดแคลนของมันถือว่ารุนแรงมาก: มีเพียงประมาณสิบกว่าประเทศทั่วโลกเท่านั้นที่มีเทคโนโลยีการผลิตในระดับอุตสาหกรรม โดยคาร์บอนไฟเบอร์เกรดพรีเมียมถูกจัดเป็น "วัสดุเชิงกลยุทธ์" ทำให้แม้ต้องการก็ยากที่จะจัดหามาได้

"ผู้เล่นหลายคน" ชนิดนี้มีต้นกำเนิดจากแอสฟัลต์ ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นปิโตรเลียม—คล้ายกับการสกัดเพชรจากกองถ่านหิน โดยแต่ละขั้นตอนเต็มไปด้วยความอัศจรรย์

จากแอสฟัลต์สู่คาร์บอนไฟเบอร์: กระบวนการ 'การเปลี่ยนธาตุ' 5 ขั้นตอน ที่ไม่มีขั้นใดสามารถมองข้ามได้!

ขั้นตอนที่หนึ่ง: การคัดเลือกวัสดุ — สุดยอดของสุดยอด: บิทูเมนคุณภาพสูง
บิทูเมนทุกชนิดไม่สามารถนำมาใช้ได้หมด บิทูเมนที่เราใช้กันทั่วไปในการก่อสร้างถนนมีสิ่งเจือปนมากเกินไป และมีปริมาณคาร์บอนต่ำ ทำให้ไม่เหมาะสม ต้องเป็นเฉพาะ "บิทูเมนเกรดพิเศษ" ที่มีความบริสุทธิ์สูง ปริมาณคาร์บอนสูง (90%) และมีปริมาณกำมะถันและโลหะต่ำ เท่านั้นที่จะสามารถใช้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้

วิศวกรใช้การสกัดด้วยตัวทำละลายเพื่อ "ล้าง" ยางมะตอย: โดยจุ่มลงในตัวทำละลายพิเศษเพื่อกรองสิ่งปนเปื้อน เช่น กำมะถัน ไนโตรเจน และโลหะหนัก เหมือนกับการร่อนทราย จากนั้นกลั่นเพื่อปรับโครงสร้างโมเลกุลให้บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น จนมีศักยภาพที่จะถูกดึงให้เป็นเส้นใยและทนต่ออุณหภูมิสูงได้

ขั้นตอนนี้คล้ายกับการคัดเลือกนักกีฬา: มีเพียงผู้ที่มี "พื้นฐานแข็งแกร่ง" เท่านั้นที่จะสามารถทนต่อการฝึกขั้นเข้มข้นในขั้นตอนต่อไปได้

ขั้นตอนที่สอง: การปั่นเส้นใย — การดึง "เส้นด้ายทองคำ" ที่บางกว่าเส้นผมถึงสิบเท่า
ยางมะตอยที่ผ่านการกำจัดสิ่งปนเปื้อนแล้วจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 200–300°C จนกลายเป็นของเหลวเหนียวข้นคล้ายน้ำผึ้ง "ของเหลวนี้" จะถูกบีบผ่านแผ่นหัวฉีด (spinneret plate) ที่เจาะรูขนาดเล็กจำนวนมาก—แต่ละรูมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 5–50 ไมโครเมตร (เมื่อเทียบกับเส้นผมมนุษย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50–100 ไมโครเมตร) ซึ่งบางกว่าเข็มเย็บผ้าสำหรับปักผ้า!

เส้นใยยางมะตอยที่ถูกอัดออกผ่านรูเหล่านี้จะถูกจุ่มลงในน้ำเย็นหรืออากาศเย็นทันที เพื่อ "ทำให้เย็นและแข็งตัว" จนเกิดเป็น "เส้นใยยางมะตอยต่อเนื่อง" ขั้นตอนนี้ต้องอาศัยทักษะทางเทคนิคขั้นสูงมาก: หากความเร็วการอัดออกสูงเกินไปเพียงเล็กน้อย เส้นใยจะขาด; หากอุณหภูมิการระบายความร้อนต่ำเกินไปเพียงเล็กน้อย เส้นใยก็จะเปราะบาง; แม้เพียงรูเดียวที่อุดตัน ก็อาจทำให้เส้นใยทั้งล็อตใช้งานไม่ได้

อาจเปรียบเทียบกระบวนการนี้ได้กับ "การผลิตรังไหมเทียม" โดยที่ "เส้นใย" ที่ถูกอัดออกมานั้นมีความละเอียดมากกว่าเส้นไหมถึงสิบเท่า

ขั้นตอนที่สาม: การทำให้เกิดออกไซด์เบื้องต้น — การสวม "ชุดกันไฟ" ให้กับเส้นใย
เส้นใยยางมะตอยที่พึ่งปั่นเสร็จใหม่ๆ นั้นบอบบางมาก: ดึงเบาๆ ก็ขาด และติดไฟได้ทันทีหากมีประกายไฟเพียงเล็กน้อย เพื่อให้เส้นใยมีความทนทานและเหนียว ขั้นตอนแรกคือการทำให้มันทนไฟ

เส้นใยดิบจะถูกนำไปใส่ในเตาอบที่ให้ความร้อนไว้ที่ 150-300°C โดยจะค่อยๆ ให้ความร้อนช้าๆ ในอากาศเป็นเวลาหลายชั่วโมง ในระหว่างกระบวนการนี้ ธาตุไฮโดรเจนและออกซิเจนจะค่อยๆ หลุดออกจากเส้นใยยางมะตอย โครงสร้างโมเลกุลของมันจะเปลี่ยนแปลงจากเชิงเส้นไปเป็นสถานะแบบเครือข่าย และสีของมันจะเปลี่ยนจากดำเป็นน้ำตาลเข้ม สิ่งสำคัญคือ มันจะกลายเป็นวัสดุทนไฟ!

ขั้นตอนนี้ห้ามข้ามเด็ดขาด: หากข้ามการออกซิเดชันเบื้องต้นแล้วไปทำกระบวนการที่อุณหภูมิสูงทันที เส้นใยยางมะตอยจะไหม้ทันที ทำให้ความพยายามทั้งหมดก่อนหน้านั้นสูญเปล่า นอกจากนี้ อัตราการให้ความร้อนต้องช้า; หากเร่งรัดจะทำให้เกิด "แรงดันภายในที่ไม่สม่ำเสมอ" ในเส้นใย จนก่อให้เกิดรอยแตกร้าว

ขั้นตอนที่สี่: การคาร์บอนไนซ์ — การกลั่นที่อุณหภูมิสูงเพื่อผลิต "โครงสร้างคาร์บอนบริสุทธิ์"
เส้นใยดิบ ซึ่งขณะนี้ได้รับการหุ้มด้วย "ชุดป้องกันไฟไหม้" แล้ว จะต้องผ่าน "บททดสอบสุดท้าย" ภายในเตาคาร์บอไนเซชัน เตาดังกล่าวทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 1000 ถึง 1800°C และต้องคงสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน (มิฉะนั้นคาร์บอนจะเกิดการออกซิเดชันกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์)

ภายใต้อุณหภูมิสุดขีดเหล่านี้ สารตกค้างของธาตุที่ไม่ใช่คาร์บอน (เช่น ไฮโดรเจนและไนโตรเจน) ภายในเส้นใยจะ "ระเหยออกไป" ในรูปของก๊าซ สิ่งที่เหลืออยู่คือคาร์บอนที่เกือบบริสุทธิ์ (มีปริมาณคาร์บอน 90%) โดยโครงสร้างโมเลกุลจัดเรียงตัวใหม่เป็น "ผลึกคล้ายกราไฟต์" อย่างเป็นระเบียบ ณ ขั้นตอนนี้ เส้นใย "แอสฟัลต์" ได้รับการยกระดับอย่างเป็นทางการให้กลายเป็น "พรีเคอร์เซอร์เส้นใยคาร์บอน" แล้ว!

อุณหภูมิการคาร์บอนไนซ์เป็นตัวกำหนดคุณค่าของเส้นใยคาร์บอนโดยตรง: เส้นใยคาร์บอนเกรดอุตสาหกรรมทั่วไปสามารถผลิตได้ที่ประมาณ 1000°C ในขณะที่เส้นใยคาร์บอนเกรดอากาศยานต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C ส่งผลให้โครงสร้างผลึกคาร์บอนจัดเรียงตัวได้เป็นระเบียบมากขึ้น และความแข็งแรงเพิ่มขึ้นหลายเท่า จึงทำให้ราคาสูงตามไปด้วย

ขั้นตอนที่ห้า: การบำบัดผิว – การสร้างการเชื่อมต่อสำหรับเส้นใยคาร์บอน
เส้นใยคาร์บอนที่ผ่านกระบวนการคาร์บอนไนซ์ใหม่ๆ มีพื้นผิวเรียบเหมือนกระจก ซึ่งมักจะ 'ลื่น' เมื่อนำไปยึดติดกับวัสดุอย่างเรซินหรือโลหะ – เหมือนกับกระจกสองแผ่นเรียบที่กดเข้าหากัน แต่กลับแยกออกจากกันได้ง่ายเพียงแค่ดึงเบาๆ เส้นใยคาร์บอนที่ผ่านการบำบัดแล้วจะถูกถักทอเป็นผ้า (ซึ่งก็คือผ้าเส้นใยคาร์บอนที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้) หรือตัดเป็นเส้นใยสั้นๆ เพื่อสร้างเป็น "โครงสร้างหลัก" ของวัสดุคอมโพสิต
ถึงจุดนี้ กระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปแบบที่ใช้เวลานาน 2-3 เดือน ซึ่งเริ่มต้นจากยางมะตอย ก็ได้สิ้นสุดลงอย่างสมบูรณ์

ข้อเท็จจริงเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้เป็นสิ่งที่คน 90% ไม่เคยรู้มาก่อน!

1. คาร์บอนไฟเบอร์ทั้งหมดไม่ได้มาจากพิทช์ปิโตรเลียม: นอกเหนือจากพิทช์ปิโตรเลียมแล้ว ยังสามารถใช้โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) และเส้นใยวิสโคสในการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้อีกด้วย คาร์บอนไฟเบอร์ที่ผลิตจาก PAN คิดเป็น 90% ของการผลิตทั่วโลก ขณะที่คาร์บอนไฟเบอร์จากพิทช์เหมาะกับการใช้งานระดับสูงที่ต้องการความแข็งแรงสูง

2. การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์หนึ่งตันต้องใช้วัตถุดิบ 20 ตัน: จากพิทช์จนกลายเป็นคาร์บอนไฟเบอร์ อัตราผลผลิตต่ำกว่า 5% ไม่น่าแปลกใจที่มันจะมีราคาแพงมาก

3. จีนได้ทำลายการผูกขาด: ก่อนหน้านี้ คาร์บอนไฟเบอร์ระดับสูงถูกควบคุมโดยยุโรป อเมริกา และญี่ปุ่น แต่ตอนนี้จีนสามารถผลิตคาร์บอนไฟเบอร์เกรด T1100 (เกรดสำหรับอวกาศ) ได้ในปริมาณมาก ในราคาต่ำกว่าของนำเข้า 30%

คาร์บอนไฟเบอร์แบบใด ผลิตภัณฑ์ ที่คุณเคยพบเจอ?
คาร์บอนไฟเบอร์แท้จริงแล้วไม่ไกลจากชีวิตประจำวันของเราเลย: นอกเหนือจากการบินอวกาศและมอเตอร์สปอร์ต ตอนนี้มันถูกใช้ในโครงจักรยานระดับสูง แขนโดรน และแม้แต่เคสโทรศัพท์มือถือ

คุณเคยพบผลิตภัณฑ์ที่ทำจากไฟเบอร์คาร์บอนในบริเวณรอบตัวหรือไม่? หรือคุณมองว่าในอนาคตวัสดุนี้จะถูกนำไปใช้ในด้านใดอีกบ้าง? แบ่งปันความคิดเห็นของคุณได้ในช่องแสดงความคิดเห็น!

ยางมะตอยปิโตรเลียมธรรมดาๆ ได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงอันน่าทึ่งเป็นเวลาหลายเดือน จนกลายเป็น "ทองคำสีดำ" ที่เป็นพื้นฐานของการผลิตขั้นสูง ความสำเร็จนี้เกิดจากความมุ่งมั่นอย่างไม่ลดละของวิศวกรจำนวนนับไม่ถ้วนในการควบคุมความแม่นยำระดับมิลลิเมตร รวมถึงความพยายามของมนุษยชาติในการก้าวข้ามขีดจำกัดของวิทยาศาสตร์วัสดุ เมื่อครั้งต่อไปที่คุณพบผลิตภัณฑ์ที่ทำจากไฟเบอร์คาร์บอน คุณอาจนึกย้อนกลับไปได้ว่า มันเริ่มต้นมาจากเพียงเศษซากปิโตรเลียมที่ถูกทิ้งไป