''Włókna węglowe (''Chemia w szkole'' 6-2008 r.), Moje pliki, Szkoła, nauka, Chemia, 'Chemia w szkole' i inne ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Nauka i technika
Włókna węglowe
Włókna węglowe to materiał, który zrobił błyskawiczną karierę i dzięki
znaczącej obniżce kosztów wytwarzania stał się powszechnie dostępny.
WŁODZIMIERZ KUŚMIERCZUK
laików przede wszystkim pojawianie
się w dobrach technicznych codzien-
nego użytku materiałów zastępujących sto-
sowane tradycyjnie: metale, drewno, skórę,
czy włókna naturalne. Coraz częściej mate-
riały polimerowe nie są dla użytkownika
zwykłym „plastikiem”. Dzięki marketingowi
zna on nazwę tworzywa, z którego wykonane
są części jego auta, czy sprzętu do uprawia-
nia sportu i rekreacji. Jest świadomy jego za-
let i przewag nad materiałami „tradycyjny-
mi”. Wie, że do niedawna coś takiego było
tylko do dyspozycji kosmonautów i mistrzów
sportu wyczynowego. Jednym z takich mate-
riałów, który zrobił błyskawiczną karierę
i dzięki znaczącej obniżce kosztów wytwa-
rzania stał się powszechnie dostępny, są
włókna węglowe. Nasi uczniowie wiedzą czę-
stokroć znacznie więcej od nas o ich wyko-
rzystaniu, a ponieważ uczymy ich o odmia-
nach alotropowych węgla już w gimnaz-
jum, warto wyjaśnić na lekcji chemii, czym
jest włókno węglowe.
w amerykańskiej marynarce używano żaró-
wek z włóknem węglowym aż do roku 1960,
gdyż rozgrzany drucik wolframowy łatwiej
zrywa się podczas wstrząsów niż włókno
węglowe.
Włókno węglowe, które można uważać
za pierwsze współczesne, wytworzył w 1957
roku dr R
OGER
B
ACON
, pracujący dla
Union Carbide Parma Technical Center
(Cleveland – Ohio). Surowcem był nylon,
który ogrzewany ulegał karbonizacji (uwę-
gleniu). Produkt ten początkowo odzna-
czał się niską zawartością węgla, w stosun-
ku do obecnie uzyskiwanej (do 100%),
oraz niskimi parametrami wytrzymałości
i sprężystości. Amerykanie rozwijali tech-
nologie produkcji włókien węglowych
głównie na bazie nylonu i paku naftowego.
Parametry uzyskiwanych włókien zaczęły
osiągać niewiarygodne wręcz wartości.
L
EONARD
S
INGER
(
Union Carbide
) opaten-
tował w 1977 roku metodę produkcji takie-
go włókna z paku naftowego zwaną „
taffy-
-pulling
”, przez analogię do produkcji
z karmelu popularnych amerykańskich cu-
kierków „ciągutek” (ang.
taffy).
Ogrzewany
do bardzo wysokiej temperatury pak jest
wyciągany przez specjalne urządzenie
(również opatentowane), a długie cząstecz-
ki związków węgla ulegają wówczas
wzdłużnej orientacji (uzyskują strukturę
ciekłokrystaliczną) i ulegają karbonizacji
do włókna węglowego o wysokiej zawarto-
ści węgla (do 85%). Włókno otrzymane tą
metodą ma ultrawysoki
moduł sprężysto-
ści
(moduł Y
OUNGA
) – nawet do 1000 GPa
oraz dobre przewodnictwo cieplne. Ten ro-
Początki włókna węglowego i jego historia
Za twórcę pierwszego włókna węglowe-
go można uznać T. A. E
DISONA
, który
wswojej żarówce, opatentowanej w 1879
roku, zastosował je do wykonania żarnika.
Materiał ten E
DISON
uzyskał przez ogrze-
wanie w warunkach beztlenowych celulozy
zawartej w bawełnie. Zachodzi wówczas
proces rozkładu celulozy z zachowaniem
łańcucha polimerowego i powstaje włókno
przewodzące prąd. W udoskonalonych ża-
rówkach węgiel zastąpiono wolframem, ale
6
Chemia w Szkole
P
ostępy współczesnej chemii to w oczach
Nauka i technika
dzaj technologii stosowany jest obecnie
rzadko do produkcji włókien o specjalnym
przeznaczeniu, gdyż metoda jest kosztow-
na. We wczesnych latach 60–tych Amery-
kanie zaczęli używać jako surowca poli-
akrylonitrylu (PAN), ale wkrótce z niego
zrezygnowali. Technologie produkcji włó-
kien z PAN rozwijali Japończycy, a następ-
nie Brytyjczycy, uzyskując znakomite efek-
ty, a przy tym bardzo znacząco obniżając
koszty ich wytwarzania. Obecnie PAN jest
najczęściej stosowanym na świecie prekur-
sorem włókien węglowych.
Rys. 1. Włókno węglowe o średnicy 6
m (czarne) na tle
włosa ludzkiego.
Źródło: wikipedia.org./wiki/Karbon_fiber
Struktura i właściwości włókien węglowych
Pojedyncze włókno węglowe jest długą
rurką o średnicy 5–10 µm. Składa się prawie
wyłącznie z węgla. Jego struktura przypo-
mina do pewnego stopnia strukturę grafitu.
Kryształ grafitu składa się z płaskich
cząsteczek węgla (grafenów), gdzie atomy
węgla tworzą układ sześciokątów, a arku-
sze grafenów ułożone są równolegle. Mię-
dzy tymi cząsteczkami działają słabe siły
van der Waalsa, co sprawia, że grafit jest
miękki i kruchy.
Wzależności od użytego prekursora i wa-
runków karbonizacji włókno węglowe może
mieć strukturę grafitową, turbostratyczną
albo zawierać fragmenty obu struktur.
Włókna węglowe wytwarzane z paku
naftowego, który w momencie formowania
ma strukturę ciekłokrystaliczną, zachowują
uporządkowany powierzchniowo, heksago-
nalny układ atomów węgla. Powierzchnie
ułożone są warstwowo, z tym że warstwy są
pofałdowane. Krystaliczna struktura spra-
Rys. 2. Struktura włókna węglowego.
wia, że materiał ma bardzo wysoki współ-
czynnik sprężystości (kilkaset GPa) i, dzię-
ki dużemu udziałowi atomów o hybrydyza-
cji
sp
2
, dobre przewodnictwo cieplne.
Włókna otrzymywane z PAN mają struktu-
rę
turbostratyczną.
Arkusze atomów węgla
są tu zwinięte wzdłuż osi włókna i w sposób
przypadkowy pozaginane. Włókno takie
ma dużą wytrzymałość na zrywanie, nawet
do 6 GPa. W zastosowaniach technicznych
wykorzystuje się oba typy strukturalne włó-
kien. Porównanie parametrów stali o wyso-
kiej sprężystości ze standardowym włók-
nem węglowym przedstawiono w Tab. 1.
Tabela 1.
Parametry stali o wysokiej sprężystości i standardowego włókna węglowego
Materiał
Wytrzymałość
na rozciąganie
[GPa]
Moduł
sprężystości
[GPa]
Gęstość
[g/cm
3
]
Wytrzymałość/gęstość
standardowe
włókno węglowe
3,5
230,0
1,75
2,00
stal o wysokiej
sprężystości
1,3
210,0
7,87
0,17
6/2008
7
µ
Nauka i technika
Chemizm wytwarzania włókien węglowych
Włókno węglowe powstaje w procesie
przekształcania w wysokich temperaturach
struktury organicznych polimerów o bardzo
długich łańcuchach. Zawartość węgla w pro-
dukcie znacząco wzrasta, stąd nazwa procesu
–
karbonizacja
(grafityzacja). Najczęściej
stosowanym polimerowym prekursorem jest
obecnie PAN, otrzymywany przez polimery-
zację akrylonitrylu (CH
2
=CH–CN). Nitryle
są związkami, które pojawiają się w niektó-
rych licealnych podręcznikach dla rozszerzo-
nego programu chemii, ale przedstawiana
tam metoda ich otrzymywania (z acetylenu
icyjanowodoru) nie ma nic wspólnego z prak-
tyką przemysłową. Monomer ten uzyskuje się
jednoetapową metodą przez utleniającą amo-
nolizę propenu w obecności odpowiednich
katalizatorów. Sumę reakcji elementarnych
dla tego procesu można zapisać:
CH
2
=CH–CH
3
+ NH
3
+ 3/2O
2
CH
2
=CH–CN + 3H
2
O
Ciąg początkowych przekształceń polia-
krylonitrylu obrazuje schemat reakcji
pokazany na Rys. 3.
Aby włókno węglowe otrzymane z PAN
miało dobre właściwości mechaniczne, poli-
mer musi odznaczać się dużą czystością i ma-
są cząsteczkową ok. 100 000 u. Najpierw
PAN poddaje się utleniającej stabilizacji
wpiecu wielostrefowym o rosnącej w sposób
ciągły temperaturze (150–300°C). Otrzyma-
ny produkt ulega następnie dwuetapowej
karbonizacji w innym piecu, w atmosferze ga-
zu obojętnego (zwykle azotu). Temperatura
wzrasta wówczas od 1000°C do 2500°C.
Większość wodoru, azotu i tlenu usuwana
jest w postaci substancji gazowych i tworzy
się grafitopodobna struktura o bardzo dużym
udziale atomów węgla, którego orbitalom
walenycjnym przypisuje się hybrydyzację
sp
2
.
Dodatkowe ogrzewaniedotemperatury ok.
3000°C prowadzi do włókna węglowego
owysokim współczynniku sprężystości i jesz-
cze wyższej zawartości węgla.
Zastosowania
Splot tysięcy pojedynczych włókien tworzy
nić, z której wytwarza się
tkaniny
(Rys. 4)
.
Większość wytwarzanych włókien stoso-
wana jest jako materiał wzmacniający
wkompozytach, gdzie zalewa
się je jakimś rodzajem polime-
ru, np. żywicy epoksydowej.
Ten drugi składnik nosi nazwę
matrycy. Właściwości kompo-
zytów zależą od stopnia upo-
rządkowania włókien, jego za-
wartości masowej, rodzaju
polimeru matrycy. Uzyskiwane
materiały kompozytowe mają
zróżnicowane właściwości, stąd
wszechstronność ich zastoso-
wań. Ogromna wytrzymałość,
a przy tym lekkość wyrobów
kompozytowych wzmacnia-
nych włóknem węglowym to
ich główna zaleta. Ich barwa
zmienia się od szarej do
czarnej. Do pospolitych wyro-
bów konsumenckich z włók-
nem węglowym należą, np.
sprzęt sportowy: rakietki do
tenisa stołowego, wędki, ro-
Rys. 3.
8
Chemia w Szkole
Nauka i technika
chni adsorbent można łatwo zregenerować
i stosować powtórnie.
Rys. 4.
Recykling kompozytów
z włóknem węglowym
Recykling materiałów kompozytowych
jest szczególnie utrudniony ze względu na
różne rodzaje szkieletu i matrycy, a przez to
kosztowny. Materiały odpadowe z kompozy-
tów klasyfikuje się jako odpady potencjalnie
niebezpieczne i część krajów Unii Europej-
skiej od roku 2004 wprowadziła zakaz ich
składowania na wysypiskach. Powierzchnia
włókna węglowego pokrywana jest przed za-
nurzeniem w matrycy substancjami zwiększa-
jącymi przyleganie żywicy. Znajdują się
wśród nich związki chromu(VI), których
uwalnianie do środowiska jest poważnym za-
grożeniem. Spalanie kompozytu prowadzi
zkolei do uwalniania do powietrza mikro-
skopijnych, przewodzących prąd włókien
i także nie wchodzi w grę. Ponieważ włókno
węglowe jest cennym materiałem, jego rege-
neracja z odpadów może być zyskownym
przedsięwzięciem. Inicjatorem recyklingu ta-
kich odpadów był przemysł lotniczy, zużywa-
jący obecnie ogromne ilości tego tworzywa.
We wprowadzonym na rynek w 2007 roku
najnowszym modelu samolotu
Boeing 787
„Dreamliner”, Airbus A-350
, włókno węglowe
stanowi ok. 50% masy. Stosuje się kilka tech-
nologii recyklingu tzw. trzeciej generacji.
Jedna z nich, zwana konwersją katalityczną,
prowadzona w rafineriach ropy naftowej, po-
zwala uzyskiwać z materiału matrycy związki
organiczne, które mogą być składnikami pa-
liw i impregnantami do drewna. Odzyskane
włókno węglowe szkieletu ma czystość powy-
żej 99% (!). Niedostatkiem jest to, że włókno
regenerowane jest krótsze od pierwotnego
na skutek cięcia lub mielenia kompozytu,
stąd ma węższy zakres zastosowań. Jest za to
tańsze od nowo wytworzonego, a paramet-
ry wytwarzanych z niego kompozytów są nie-
co gorsze.
wery, łodzie (kadłuby, maszty), obuwie,
ubrania, tarcze i koperty zegarków i inne;
obudowy laptopów i sprzętu audio, instru-
menty muzyczne, ale także drzwi i krzesła;
elementy konstrukcji samolotów (w tym
największych pasażerskich), aut, moto-
cykli i wiele akcesoriów używanych
wmotoryzacji.
Wbudownictwie
stosuje się już
beton
zbrojony prętami z włókna węglowego
zamiast stalą. Może on służyć do wznosze-
nia nowych, lżejszych i odporniejszych bu-
dowli lub naprawy i modernizacji już istnie-
jących, np. mostów. Nie tylko przedłuża to
ich żywotność, bo zbrojenie nie koroduje
inie ulega zmęczeniu jak stal, ale także
zwiększa wytrzymałość konstrukcji.
Grafit wzmocniony włóknem węglo-
wym
jest materiałem konstrukcyjnym stoso-
wanym w warunkach wysokiej temperatury.
Używa się go do filtracji gazów o wysokiej
temperaturze, wytwarzania elektrod o dużej
powierzchni i całkowicie odpornych na koro-
zję, a także jako składnika antystatycznego.
Aktywowane włókna węglowe
stosuje
się w domowych filtrach do wody i w woj-
skowych maskach przeciwgazowych; nie są
stosowane jako materiał wzmacniający. Pre-
kursorem jest dla nich celuloza, np. w posta-
ci jedwabiu wiskozowego, lub włókna winy-
lowe. Tkaniny z takich włókien ogrzewa się
do 1300°C w słabo utleniającej atmosferze
(CO
2
lub para wodna). Nadaje to produkto-
wi porowatą strukturę i olbrzymią po-
wierzchnię sorpcyjną. Po nasyceniu powierz-
Mgr
WŁODZIMIERZ KUŚMIERCZUK
Gim na zjum Nr 3 oraz I Spo łecz ne Li ceum Ogól no kształ cą ce
w Za mo ściu.
6/2008
9
[ Pobierz całość w formacie PDF ]