Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno o průměru 6 μm v porovnání s lidským vlasem.

Uhlíkové vlákno (též karbonové vlákno, z angl. carbon fibre) je název pro vlákno obsahující uhlík v různých modifikacích. Jedná se o dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5–8 μm složeného převážně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Krystalové uspořádání způsobuje, že vlákno je na svou tloušťku velmi pevné. [1]

Surovina

Edison použil bambusovou dřevinu ke zhotovení prvního uhlíkového vlákna do žárovky v roce 1880. K současné výrobě se používají textilní vlákna jako surovina ve formě prekurzorů.

  • Průmyslově byla první uhlíková vlákna vyrobena v roce 1957 z viskózy. Tato surovina má však výtěžek jen asi 25 %. V posledních letech se tímto způsobem vyrábí jen v Bělorusku a v Rusku. [2]
  • S průmyslovou výrobou uhlíkových vláken z polyakrylonitrilu se začalo v Japonsku v roce 1971. V roce 2015 pocházelo z této suroviny cca 98 % uhlíkových vláken, celosvětová výrobní kapacita (asi 13 firem) se odhadovala na 130 tisíc ročních tun. [1]
  • Za počátek výroby uhlíkových vláken ze smol (izotropních nebo mezofázových) se označuje rok 1976. Vyráběné množství, resp. podíl na celkové produkci není ve statistikách viditelný. Obzvlášť výrobky z mezofázových smol se vyznačují podstatně vyšším modulem pružnosti a vyšší tepelnou vodivostí.
  • V 90. letech minulého století se zkoušela výroba uhlíkových vláken z fenol-aldehydových prekurzorů. Výrobky se vyznačovaly lepší přilnavostí k pryskyřicovým matricím (v kompozitech). [3]

Výroba

Postup

Schéma postupu výroby uhlíkových vláken z polyakrylonitrilu

Postup výroby:[4]

  1. Příprava prekurzoru – úprava výchozího materiálu buď tavným zvlákňováním nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivní strukturu a pevnost uhlíkových vláken. Vlákno je pak dlouženo na požadovanou jemnost.
  2. Stabilizace – před karbonizací je třeba, aby z dlouhých uhlíkových vláken vznikla teplotně stabilní zesítěná struktura. Provádí se na vzduchu zahřátím na poměrně nízké teploty 200–450 °C na 20–30 minut. To způsobí, že vlákno sbírá kyslíkové molekuly ze vzduchu a dojde tak k přerovnání atomové struktury vlákna. Při stabilizaci vzniká ve vlákně také vlastní teplo, které musí být kontrolováno, aby se zabránilo přehřívání vlákna. V praxi se někdy používá tažení vlákna skrze řadu zahřívaných komor nebo vlákno prochází přes rozehřáté válce a sypké materiály, které odebírají přebytečné teplo.
  3. Karbonizace – jedná se o převod prekurzoru na uhlíková vlákna. Provádí se v inertní atmosféře (obyčejně dusíkové), při teplotách mezi 1 000 °C a 2 000 °C. Bez přístupu kyslíku vlákno nemůže hořet. Místo toho způsobí vysoká teplota rozkmitání atomů ve vlákně tak, že většina neuhlíkových atomů je odstraněna. Výsledné vlákno obsahuje 85–95 % uhlíku
  4. Grafitizace – nemusí se provádět, pokud se provede vznikají tzv. grafitová vlákna. Provádí se v inertní atmosféře, při teplotách mezi 2 400 °C a 3 000 °C. Dochází ke zvýšení obsahu uhlíku na cca 99 % a více. Vzniká také uspořádaná vrstevnatá struktura.
  5. Povrchová úprava – povrch vlákna dobře neváže epoxidy a další látky používané v kompozitních materiálech. Proto se povrch vlákna mírně oxiduje. Přidání kyslíkových atomů na povrch umožňuje lepší přilnavost dalších látek a zhrubnutí povrchu pro lepší mechanické spojení s těmito látkami. Okysličení může být dosaženo přístupem plynů jako je vzduch, oxid uhličitý, nebo ozon nebo ponořením do různých kapalin jako chlornanu sodného nebo kyseliny dusičné. Vlákno může být také pokryto ochrannou vrstvou proti poškození při dalším zpracování.
Výrobní zařízení na vlákna z PAN prekurzoru stojí (v roce 2022) nejméně 50 milionů USD, kompletní stavba a montáž trvá asi 2 roky.[5]

Hlavní druhy běžně vyráběných vláken

Seznam hlavních druhů běžně vyráběných vláken:[1]

  • Standardní karbonizovaná vlákna
    • AS (average strength) – s průměrnou pevností
    • HS (high strength) – s vysokou pevností
    • HT (high tenacity) – s vysokým modulem pružnosti
  • vysokomodulová grafitizovaná vlákna (HM – “High Modulus”)
  • vlákna vysoce pevná, se středním modulem pružnosti (IM – “Intermediate Modulus”)
  • dutá uhlíková vlákna
  • vlákna s vysokým modulem pružnosti (VHM “Very High Modulus”, UHM “Ultra High Modulus”)
  • diskontinuální vlákna porušená tahem (SBCF, “Stretch-Broken Carbon Fiber”)
  • mletá uhlíková vlákna
  • recyklovaná uhlíková vlákna

Vlákna s vynikajícími vlastnostmi

  • Nanovlákna o průměru 0,2 µm s pevností až 7 GPa vyráběná technologií „růstu v párách“ (Vapor-Grown Carbon Fibers)
  • Laboratorní pokusy s nanotrubičkami o délce do 5 mm, ze kterých se (údajně) dají vyrábět příze s tažnou pevností až 150 GPa. [6]

Vlastnosti

Vlákna mají průměrnou hustotu 1750 kg/m3 a jemnost 5-10 µm. Od jiných textilních vláken se odlišují zejména:[1]

  • výrazně menším modulem pružnosti v kolmém směru k ose vlákna
  • křehkostí – tažnost je menší než např. u skleněných vláken,
  • při ohřevu se vlákno zkracuje, v kolmém směru, má však vyšší koeficient tepelné roztažnosti než sklo
  • v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor (jen 1,9×10−6 Ω/m).

Materiálové vlastnosti některých druhů uhlíkových a skleněných vláken:

Vlákno/prekurzorPevnost
v tahu
GPa		E-modul
GPa		Tažnost
%		Výrobce
(příklad)
karbonizované z PAN (95 % uhlíku)5,52501,9Toray, Japonsko (1997)
grafitované z PAN (99 % uhlíku)4,43771,2Toray, Japonsko
mezofázová smola (99% uhlíku)3,89000,4Mitsubishi, Japonsko
viskóza (99% uhlíku)1,21000,5Sohim, Bělorusko
nanovlákno 0,2 µm7,06000,5Applied Science, USA
S-sklo4,5855,7agy, USA










Použití

Uhlíková vlákna se používají výhradně pro technické účely a naprostá většina z nich se uplatňuje jako výztuž kompozitů. Podíl výztuže obnáší maximálně 80 % váhy kompozitu, uhlík se přidává ve formě mletých vláken, sekaných pramenů ("chopped strands"), filamentů, rovingů, rohoží, tkanin, pletenin, splétaných textilií.

V roce 2010 se předpokládaly následující podíly na spotřebě uhlíkových vláken:

SektorPodíl
v %		Příklady
Letectví22trupy a křídla letadel [7]
Větrné generátory17rotory, příp. offshore platformy
Kompozity různých druhů16vojenské a civilní lodě, nádrže na plyn
Sportovní nářadí14čluny, golfové hole, skluznice lyží, dříky sportovních šípů
Auto5nárazníky, části karoserií









V roce 2018 dosáhla celosvětová spotřeba uhlíkových vláken asi 150 000 tun.[8] V roce 2022 mají nejvyšší podíl na spotřebě uhlíkových vláken výrobci větrných generátorů (např. rameno rotoru měří nejméně 128 m).[5]

Cena uhlíkových vláken

Jakost vláken a příslušné ceny se často dělí na dvě kategorie: podstatně dražší vlákna pro letectví a levnější materiál pro ostatní průmysl. Průměrné ceny vláken pro letectví se snížily ze 120 US $ v roce 1985 na cca 40 US $/kg na začátku tohoto století. [9] Vlákna s nižším obsahem uhlíku, s nižší pevností a vlákna z nově vyvíjených prekurzorů (použití např. pro automobilový průmysl) jsou podstatně levnější než vlákna pro letectví. V příštích letech se počítá se snížením průměrné ceny na 15-30 dolarů/kg. [10]

Galerie uhlíkových vláken

  • PAN vlákno (polyakrylonitril), surovina pro uhlíková vlákna (400× zvětšeno)
    PAN vlákno (polyakrylonitril), surovina pro uhlíková vlákna (400× zvětšeno)
  • Uhlíková vlákna (cca Ø 25 µm) vyrobená pyrolýzou z přírodního hedvábí
    Uhlíková vlákna (cca Ø 25 µm) vyrobená pyrolýzou z přírodního hedvábí
  • Schéma trojstěnné uhlíkové nanotrubičky
    Schéma trojstěnné uhlíkové nanotrubičky
  • Spřádání uhlíkových nanotrubiček
    (c) CSIRO, CC BY 3.0
    Spřádání uhlíkových nanotrubiček
  • Sekaná uhlíková vlákna („chopped strand“)
    Sekaná uhlíková vlákna („chopped strand“)
  • Rovingy z uhlíkových filamentů (při zpracování na kompozitní prepreg)
    Rovingy z uhlíkových filamentů (při zpracování na kompozitní prepreg)
  • Laminovaná tkanina z uhlíkových rovingů
    Laminovaná tkanina z uhlíkových rovingů
  • Kapota automobilu Honda z uhlíkového kompozitu
    Kapota automobilu Honda z uhlíkového kompozitu

Odkazy

Reference

  1. ↑ a b c d Ghat: Stucture and Properties of High-Performance Fibers, Woodhead Publishing 2016 ISBN 9780081005514, str. 8 a 79-106
  2. ↑ Production [online]. SvetlogorskKhimvolokno, 2017 [cit. 2017-05-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. ↑ Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken [online]. TU Liberec, 2004 [cit. 2017-05-05]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2016-03-02. 
  4. ↑ Carbon Fiber [online]. Zoltek, 2017 [cit. 2017-05-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. ↑ a b The future of carbon fiber manufacture [online]. Composites World, 2022-10-31 [cit. 2022-11-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. ↑ Nejdelší nanotrubka [online]. Techblog, 2004-03-14 [cit. 2017-05-05]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2016-03-13. 
  7. ↑ Advances in the Art and Science of Metal to Plastic Replacement [online]. SpecialChem, 2009-09-14 [cit. 2017-05-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  8. ↑ Leading countries based on carbon fiber production capacity in 2018 [online]. Statista, 2021-06-06 [cit. 2021-07-16]. Dostupné online. 
  9. ↑ Carbon Fiber Fabric [online]. US Composites, 2016-01-28 [cit. 2017-05-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  10. ↑ Biron: Thermosets and Composites, Elsvier 2013, ISBN 9781455731251, str. 488

Literatura

  • Koslowski: Chemiefaser-Lexikon:Begriffe-Zahlen-Handelsnamen, Deutscher Fachverlag 2008, ISBN 3-87150-876-4

Související články

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

CKhoodfront1.jpg
Autor: User:NSX-Racer, Licence: CC BY 2.5
CFK front hood for Honda NSX, upper side
Sierracomposites.com2.gif
Autor: Racingjeff, Licence: CC BY-SA 3.0
Carbon fiber laminated sheet. Raw carbon fiber fabric material is processed together with epoxy resin or other resin systems. The raw carbon fabric and resin system are procesed together using heat and pressure to produce a very high quality sheet laminate material. The completed carbon fiber sheet posesses very high strength properties that can be greater than metals. The finished sheet is however extremely light weight, weighing a fraction of its metal counterpart.
Cfaser haarrp.jpg
Autor: No machine-readable author provided. Saperaud~commonswiki assumed (based on copyright claims)., Licence: CC BY-SA 3.0
a 6 μm diameter carbon filament, compared to 50 μm diameter human hair
Kohlenstoff fasern 8mm laenge 2000dpi.jpg
Autor: Achim Hering, Licence: CC BY 3.0
Carbon fibres, 8mm length, chopped, scanned in at 2000dpi
Acrylic 40x.JPG
Acrylic 40X Magnification Taken at Strathclyde University Forensic Science Department
Carbon nanotube crystal.gif
Autor: Saumitra R Mehrotra & Gerhard Klimeck, Licence: CC BY 3.0
Crystal structure for (6,0), (10,2) and (10,10) type [increasing order of diameter] carbon nanotubes.
Carbon fibers from silk cocoon.tif
Autor: DTU Mohanty, Licence: CC BY-SA 4.0
Carbon fibres generated from pyrolysis of a silk cocoon.
CSIRO ScienceImage 990 Carbon nanotubes being spun to form a yarn.jpg
(c) CSIRO, CC BY 3.0
The yarn contains hundreds of thousands of fibres in cross section. Each fibre is one ten-thousandth the diameter of a typical human hair. Carbon nanotube fibres are thermally and electrically conductive , can withstand extremes of temperature and are resistant to radiation-induced degradation.

Despite being strong and having a toughness comparable to that of fibers used for antiballistic vests, fabrics woven from these nanotube yarns would be soft to the touch and drapable, which is a consequence of the very small nanotube yarn diameters.

Other potential applications for this material include artificial muscles, high intensity filaments for light and X-ray sources, antiballistic clothing, electronic textiles, satellite tethers, and yarns for energy storage and generation that are weavable into textiles.
Diagram carbon fiber preperation.svg
Schematic representation of carbon fiber preparation from Polyacrylonitrile