Minden a szénszálról

Minden modern ember számára nagyon fontos, hogy mindent tudjon a szénszálról. Az oroszországi szén-előállítás technológiájának, a szénszál sűrűségének és egyéb jellemzőinek megértésével könnyebb lesz megérteni az alkalmazási kört és meghozni a megfelelő választást. Ezenkívül mindent meg kell tudnia a gittről és a szénszálas padlófűtésről, a termék külföldi gyártóiról és a különféle felhasználási területekről.

Nagyon elterjedt a szénszál és a szénszál elnevezés, valamint számos forrásban a szénszál is. De ezeknek az anyagoknak a tényleges tulajdonságairól és felhasználási lehetőségeiről sok ember számára egészen más az elképzelés. Technikai szempontból ez az anyag legalább 5 és legfeljebb 15 mikron keresztmetszetű menetekből van összeállítva... Szinte az egész összetétel szénatomokból áll – innen ered a név. Ezek az atomok maguk is ropogós kristályokba csoportosulnak, amelyek párhuzamos vonalakat alkotnak.

Ez a kialakítás nagyon nagy szakítószilárdságot biztosít. A szénszál nem teljesen új találmány. Az első hasonló anyag mintáit Edison kapta meg és használta fel. Később, a huszadik század közepén a szénszál reneszánszát élte – és azóta felhasználása folyamatosan nő.

A szénszál tulajdonságai közül a legfontosabb továbbra is az kivételes hőállóság... Még akkor is, ha az anyagot 1600-2000 fokra melegítik, akkor a környezetben lévő oxigén hiányában a paraméterei nem változnak. Ennek az anyagnak a sűrűsége a szokásos mellett szintén lineáris (ún. texben mérve). 600 tex lineáris sűrűség mellett 1 km szövedék tömege 600 g lesz, sok esetben az anyag rugalmassági modulusa, vagy ahogy mondani szokták Young modulusa is kritikus jelentőségű.

A nagy szilárdságú szálak esetében ez a szám 200 és 250 GPa között mozog. A PAN alapján készült nagy modulusú szénszál rugalmassági modulusa körülbelül 400 GPa. Folyadékkristályos oldatok esetén ez a paraméter 400 és 700 GPa között változhat. A rugalmassági modulust az egyes grafitkristályok nyújtásakor kapott értékének becslése alapján számítják ki. Az atomi síkok orientációját röntgendiffrakciós analízissel állapítjuk meg.

Az alapértelmezett felületi feszültség 0,86 N/m. Az anyag feldolgozásakor fém-kompozit szál előállítására ez az érték 1,0 N / m-re emelkedik. A kapilláris ascent módszerrel végzett mérés segít a megfelelő paraméter meghatározásában. A szálak olvadáspontja a kőolajszurok alapján 200 fok. A centrifugálás körülbelül 250 fokban történik; más típusú szálak olvadáspontja közvetlenül függ összetételüktől.

A szénszövetek maximális szélessége a technológiai követelményektől és árnyalatoktól függ. Sok gyártónál ez 100 vagy 125 cm. Ami az axiális szilárdságot illeti, ez egyenlő lesz:

• nagy szilárdságú PAN-alapú termékekhez 3000-3500 MPa;
• jelentős nyúlású szálak esetében szigorúan 4500 MPa;
• nagy modulusú anyagokhoz 2000-4500 MPa.

A kristály stabilitásának elméleti számításai a rács atomi síkja felé ható húzóerő hatására 180 GPa becsült értéket adnak.A várható gyakorlati határ 100 GPa. A kísérletek azonban még nem erősítették meg a 20 GPa-nál nagyobb szint jelenlétét. A szénszál valódi szilárdságát mechanikai hibái és a gyártási folyamat árnyalatai korlátozzák. A gyakorlati vizsgálatok során megállapított 1/10 mm hosszúságú szakasz szakítószilárdsága 9-10 GPa lesz.

Külön figyelmet érdemel a T30 szénszál. Ezt az anyagot főként rudak gyártásához használják. Ezt a megoldást könnyedsége és kiváló egyensúlya jellemzi. A T30 index 30 tonnás rugalmassági modulust jelöl.

A szénszálak sokféle polimerből készülhetnek. A feldolgozási mód az ilyen anyagok két fő típusát határozza meg - a karbonizált és a grafitizált típusokat. Fontos különbség van a PAN-ból származó szálak és a különböző hangmagasság-típusok között. A minőségi szénszálak, mind a nagy szilárdságú, mind a nagy modulusú fokozatokban eltérő keménységűek és modulusúak lehetnek. Különböző márkákra szokás hivatkozni.

A szálak izzószál vagy köteg formátumban készülnek. 1000-10000 folytonos szálból állnak. Ezekből a szálakból szövetek is készíthetők, például kócok (ebben az esetben a filamentumok száma még nagyobb). A kiindulási alapanyag nemcsak egyszerű szálak, hanem folyadékkristályos szurok, valamint poliakrilnitril is. A gyártási folyamat során először az eredeti szálakat állítják elő, majd ezeket levegőn 200-300 fokra hevítik.

A PAN esetében ezt a folyamatot előkezelésnek vagy tűzállóság-javításnak nevezik. Egy ilyen eljárás után a szurok olyan fontos tulajdonságot kap, mint az infúzióképesség. A szálak részben oxidáltak. A további hevítés módja határozza meg, hogy a karbonizált vagy grafitizált csoportba tartoznak-e. A munka befejezése azt jelenti, hogy a felületet megadjuk a szükséges tulajdonságokkal, majd befejezzük vagy méretezzük.

A levegőben történő oxidáció nemcsak az oxidáció következtében növeli a tűzállóságot. Nemcsak a részleges dehidrogénezés, hanem az intermolekuláris térhálósítás és egyéb folyamatok is hozzájárulnak ehhez. Ezenkívül csökken az anyag érzékenysége az olvadásra és a szénatomok elpárolgására. A karbonizáció (a magas hőmérsékletű fázisban) elgázosodással és minden idegen atom kiszökésével jár együtt.

Az ezt követő karbonizálásukat nitrogén környezetben, 1000-1500 fokos hőmérsékleten hajtják végre. Az optimális fűtési szint számos technológus szerint 1200-1400 fok. A nagy modulusú szálat körülbelül 2500 fokra kell felmelegíteni. Az előzetes szakaszban a PAN kap egy létra mikrostruktúrát. Az intramolekuláris szintű kondenzáció, amelyet egy policiklusos aromás anyag megjelenése kísér, "felelős" előfordulásáért.

Minél jobban emelkedik a hőmérséklet, annál nagyobb lesz a ciklikus típus szerkezete. A technológia szerinti hőkezelés befejezése után a molekulák vagy aromás fragmentumok elrendezése olyan, hogy a fő tengelyek párhuzamosak legyenek a rost tengellyel. A feszültség megakadályozza a tájolási fok leesését. A hőkezelés során a PAN bomlás sajátosságait az ojtott monomerek koncentrációja határozza meg. Az ilyen szálak minden típusa meghatározza a kezdeti feldolgozási feltételeket.

A folyékony kristályos kőolajszurkot hosszú ideig 350 és 400 fok közötti hőmérsékleten kell tartani. Ez a mód a policiklusos molekulák kondenzációjához vezet. Tömegük növekszik, és fokozatosan összetapadnak (szferulitok képződésével). Ha a melegítés nem áll le, a szferulitok nőnek, a molekulatömeg nő, és ennek eredményeként folyamatos folyadékkristályos fázis képződik. A kristályok időnként oldódnak kinolinban, de általában nem oldódnak sem benne, sem piridinben (ez a technológia árnyalataitól függ).

Az 55-65% folyadékkristályt tartalmazó folyadékkristály-szurokból nyert szálak plasztikusan áramlanak. A centrifugálás 350-400 fokban történik. Erősen orientált szerkezet jön létre levegőben 200-350 fokos kezdeti melegítéssel, majd inert atmoszférában való tartással. A Thornel P-55 márkájú szálakat 2000 fokra kell felmelegíteni, minél nagyobb a rugalmassági modulus, annál magasabb a hőmérséklet.

Az utóbbi időben a tudományos és mérnöki munkák egyre nagyobb figyelmet fordítanak a hidrogénezést alkalmazó technológiára. A szálak kezdeti előállítását gyakran kőszénkátrány-szurok és naftal-gumi keverékének hidrogénezésével végzik. Ebben az esetben tetrahidrokinolinnak kell jelen lennie. A feldolgozási hőmérséklet 380-500 fok. A szilárd anyagok szűréssel és centrifugálással eltávolíthatók; majd a szurokokat emelt hőmérsékleten besűrítjük. A szén előállításához (technológiától függően) meglehetősen sokféle berendezést kell használni:

• vákuumot elosztó rétegek;
• szivattyúk;
• tömítő hevederek;
• munkaasztalok;
• csapdák;
• vezetőképes háló;
• vákuumfóliák;
• prepregek;
• autoklávok.

A következő szénszálgyártók vezetnek a globális piacon:

• Thornell, Fortafil és Celion (Egyesült Államok);
• Grafil és Modmore (Anglia);
• Kureha-Lone és Toreika (Japán);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL csoport;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Ma Oroszországban állítják elő a szenet:

• szén- és kompozit anyagok cseljabinszki üzeme;
• Balakovo széntermelés;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Szaratov „START” vállalkozás.

A szénszálat kompozit megerősítések készítésére használják. Gyakori a használata a következőkre is:

• kétirányú szövetek;
• tervezői szövetek;
• biaxiális és quadroaxiális szövet;
• nem szőtt anyagból;
• egyirányú szalag;
• prepregek;
• külső megerősítés;
• rost;
• hámok.

Most egy meglehetősen komoly újítás infravörös meleg padló. Ebben az esetben az anyagot a hagyományos fémhuzal helyettesítésére használják. 3-szor több hőt tud termelni, ráadásul az energiafogyasztás körülbelül 50%-kal csökken. Az összetett modellezési technikák szerelmesei gyakran tekercseléssel nyert széncsöveket használnak. Ezeket a termékeket az autók és egyéb berendezések gyártói is keresik. Szénszálat gyakran használnak például kézifékekhez. Ezen kívül az anyag alapján a következőket kapjuk:

• Repülőgép-modellek alkatrészek;
• egyrészes motorháztetők;
• kerékpárok;
• alkatrészek autók és motorok tuningjához.

A szénszövet panelek 18%-kal merevebbek, mint az alumínium és 14%-kal merevebbek, mint a szerkezeti acél... Ezen az anyagon alapuló hüvelyekre van szükség változó keresztmetszetű csövek, különféle profilú spirális termékek előállításához. Golfütők gyártásához és javításához is használják őket. Érdemes még kiemelni a használatát. különösen strapabíró tokok gyártásában okostelefonokhoz és egyéb kütyükhöz. Az ilyen termékek általában prémium jellegűek, és fokozott dekoratív tulajdonságokkal rendelkeznek.

Ami a diszpergált grafit típusú port illeti, szükséges:

• elektromosan vezető bevonatok fogadásakor;
• különféle típusú ragasztók felszabadításakor;
• a formák és néhány egyéb alkatrész megerősítésekor.

A szénszálas gitt számos szempontból jobb, mint a hagyományos gitt. Ezt a kombinációt sok szakértő értékeli plaszticitása és mechanikai szilárdsága miatt. A kompozíció alkalmas a mélyebb hibák elfedésére. A karbon rudak erősek, könnyűek és hosszú élettartamúak. Ilyen anyagokra van szükség:

• repülés;
• a rakétaipar;
• sportfelszerelések kiadása.

A karbonsavak pirolízisével ketonok és aldehidek állíthatók elő.A szénszál kiváló termikus tulajdonságai lehetővé teszik fűtőtestekben és fűtőbetétekben való használatát. Ilyen melegítők:

• gazdaságos;
• megbízható;
• lenyűgöző hatékonyság jellemzi;
• ne terjesszen veszélyes sugárzást;
• viszonylag kompakt;
• tökéletesen automatizált;
• szükségtelen problémák nélkül működik;
• ne terjesszen idegen zajt.

A szén-szén kompozitokat a következők előállításához használják:

• Tartók tégelyekhez;
• Vákuumos olvasztókemencék kúpos részei;
• csőszerű alkatrészek számukra.

További alkalmazási területek:

• házi kések;
• motorok sziromszelepéhez való felhasználás;
• építőiparban történő felhasználás.

A modern építők régóta használják ezt az anyagot nemcsak külső megerősítéshez. A kőházak, uszodák megerősítéséhez is szükség van rá. A ragasztott erősítőréteg visszaadja a támasztékok és gerendák minőségét a hidakban. Szeptikus tartályok készítésekor és természetes, mesterséges tározók keretezésekor, keszon és silógödör használatakor is használják.

A következő videóban további információkat talál a szénszál gyártásáról.