Як вуглецеве волокно перетворюється з нафти/бітуму на «чорне золото»?

Чи можете ви повірити? Основа ракет олімпійських чемпіонів, здатних розбивати воланки на швидкості 300 км/год, автомобілів Формули-1 з кузовами, що розганяються від 0 до 100 км/год за 2,3 секунди, навіть зовнішніх оболонок космічних ракет, що проривають атмосферу — весь їхній каркас походить із відходів у вигляді «чорного залишку», що залишається після переробки нафти?

Сьогодні ми розглянемо дивовижний підйом вуглепластику — «першої ластівки» у матеріалознавстві. Дізнайтеся, як скромний нафтовий асфальт подолав безліч випробувань, щоб перетворитися на «чорне золото», цінніше за срібло!

Чому його називають «чорним золотом»?
Перш ніж розпочати цю подорож трансформації, спочатку відповімо на фундаментальне питання: чому вуглепластик часто порівнюють із золотом?
(1) Його ціна справді «на рівні золота»: звичайний вуглепластик коштує кілька тисяч юанів за кілограм, тоді як високоякісний вуглепластик аерокосмічного класу може коштувати до 20 000 юанів за кілограм — дорожче, ніж срібло (приблизно 5 юанів за грам).

(2) Продуктивність надзвичайно висока: важить лише чверть від сталі, має вдесятеро більшу міцність, стійкий до корозії у сильних кислотах і не руйнується при -180°C.

(3) Справжня рідкісність: лише дюжина країн світу володіє технологією масового виробництва, а високоякісне вуглепластикове волокно класифікується як «стратегічний матеріал» — навіть за бажанням його важко придбати.

Цей «універсал» походить із асфальту, побічного продукту нафтопереробки — наче отримання діамантів із вугілля, де кожен етап сповнений дива.

Від асфальту до вуглепластикового волокна: п’ятиетапний процес «алхімії», де жоден крок не можна пропустити!

Крок перший: вибір матеріалу — квітка квітів: преміальний бітум
Не всі бітуми можуть знайти друге життя. Бітум, який ми зазвичай використовуємо для будівництва доріг, містить забагато домішок і має низький вміст вуглецю, що робить його непридатним. Лише «бітум спеціального ґатунку» з високою чистотою, високим вмістом вуглецю (90%) та низьким вмістом сірки і металів може використовуватися для виробництва вуглепластику.

Інженери застосовують екстракцію розчинником, щоб «вимити» асфальт: занурюють його в спеціалізовані розчинники для фільтрації домішок, таких як сірка, азот і важкі метали, подібно до просіювання піску. Потім перегонка удосконалює його молекулярну структуру, надаючи здатність витягуватися у нитки та витримувати високі температури.

Цей етап нагадує відбір спортсменів: лише ті, хто мають «міцний фундамент», зможуть витримати подальшу інтенсивну підготовку.

Крок Другий: Прядіння — витягування «золотих ниток», які в десять разів тонші за волосину.
Очищений бітум нагрівають до 200–300°C, перетворюючи на схожу на мед в'язку "плавлену масу". Цю масу потім проштовхують через "пластику з отворами" (спінеретну пластину), що містить крихітні отвори діаметром лише 5–50 мікрометрів (на тлі 50–100 мікрометрів у людського волосся), тонші за голку для вишивання!

Асфальтові нитки, які видавлюються через ці отвори, одразу занурюють у холодну воду або охолоджене повітря, щоб "охолодити й затвердіти", утворюючи безперервні "асфальтові ниткові стрічки". Цей етап вимагає виняткової технічної майстерності: трохи вища швидкість екструзії призводить до розриву ниток; трохи нижчі температури охолодження роблять їх крихкими; навіть один закритий отвір може зробити всю партію ниток непридатною.

Це можна порівняти з "штучним виробництвом коконів шовковичних шовкопрядів", тільки видавлена "нитка" в десять разів тонша за шовк.

Крок третій: Передокиснення — Надягання на нитку "вогнетривкого костюма"
Свіжоотриманий асфальтовий волокно — це делікатна речовина: воно рветься навіть при слабкому розтягуванні та займається при найменшій іскрі. Щоб зробити його міцним і стійким, перший крок — зробити його вогнетривким.

Сире волокно поміщають у піч, нагріту до 150–300 °C, де його повільно нагрівають на повітрі протягом кількох годин. Під час цього процесу атоми водню та кисню поступово виходять із асфальтового волокна. Його молекулярна структура змінюється від лінійної до сітчастої, а колір стає темно-коричневим замість чорного. Найголовніше — воно стає вогнестійким!

Цей етап категорично не можна пропускати: якщо пропустити стадію передокиснення та відразу перейти до високотемпературної обробки, асфальтове волокно миттєво згорить, і всі попередні зусилля будуть марними. Крім того, швидкість нагрівання має бути повільною; поспіх призведе до «неоднорідного внутрішнього напруження» у волокні, що спричинить тріщини.

Крок чотири: карбонізація — очищення при високих температурах для отримання «чистого вуглецевого скелету»
Сирцеве волокно, тепер вдягнене в «вогнетривкий одяг», має пройти «останнє випробування» у карбонізаційній пічі. Ця піч працює при температурах від 1000 до 1800 °C і повинна забезпечувати середовище без кисню (інакше вуглець окисниться до вуглекислого газу).

У цих екстремальних температурах останні сліди не-вуглецевих елементів (таких як водень і азот) у волокні «википають» у вигляді газів. Те, що залишається — це майже чистий вуглець (вміст вуглецю 90%), молекулярна структура якого переорганізовується в упорядковані «кристали, подібні до графіту». На цьому етапі «нафтово-смолисте волокно» офіційно перетворюється на «попередник вуглецевого волокна»!

Температура карбонізації безпосередньо визначає якість вуглецевого волокна: звичайне промислове вуглецеве волокно можна отримати при температурі близько 1000 °C, тоді як для волокна аерокосмічного класу потрібні температури понад 2000 °C. Це призводить до більш упорядкованої структури вуглецевих кристалів і багаторазового зростання міцності, що природним чином збільшує ціну.

Крок п'ятий: обробка поверхні — створення зв'язків для вуглецевого волокна
Щойно карбонізоване вуглецеве волокно має поверхню, гладку як скло, яка схильна до 'ковзання' під час з'єднання з матеріалами, такими як смола або метал, — подібно до двох гладких шматків скла, які притиснуті один до одного, але раптово роз'єднуються. Потім оброблене вуглецеве волокно сплітають у тканину (тканину з вуглецевого волокна, про яку йшла мова раніше) або нарізають на короткі волокна, утворюючи «основний каркас» композитних матеріалів.
На цьому етапі завершується 2-3 місячна «метаморфоза», яка почалася з бітуму.

Ці маловідомі факти невідомі 90% людей!

не весь вуглепластик отримують із нафтового пічу: поряд із нафтовим пічем, для виробництва вуглецевого волокна також можуть використовуватися поліакрилонітрил (PAN) та віскозне волокно. Вуглецеве волокно на основі PAN становить 90% світового виробництва, тоді як волокно на основі пічу краще підходить для високотехнологічних застосувань з високою міцністю.

для виробництва однієї тонни вуглецевого волокна потрібно 20 тонн сировини: від пічу до вуглецевого волокна рівень виходу продукту нижче 5%. Не дивно, що воно таке дороге.

китай порушив монополію: раніше високоякісним вуглецевим волокном керували Європа, Америка та Японія. Тепер Китай досяг масового виробництва вуглецевого волокна класу T1100 (авіаційного класу), ціна якого на 30% нижча за імпортне.

Яке вуглецеве волокно товари ви коли-небудь зустрічали?
Вуглецеве волокно насправді не таке вже й далеке від нашого повсякденного життя: окрім авіації та автоспорту, його тепер використовують у каркасах преміальних велосипедів, руках дронів і навіть корпусах мобільних телефонів.

Чи стикалися ви з виробами із вуглепластику у своєму оточенні? Або які майбутні застосування ви бачите для цього матеріалу? Поділіться своїми думками в коментарях!

Непомітний нафтовий асфальт протягом кількох місяців пройшов неймовірну трансформацію, перетворившись на «чорне золото», що лежить в основі високотехнологічного виробництва. За цим стоїть невпинна погоня за точністю на рівні міліметрів безлічі інженерів, а також постійний пошук людством можливостей подолати межі матеріалознавства. Наступного разу, коли ви побачите виріб із вуглепластику, згадайте: колись він був нічим іншим, як відходами нафтовидобутку.