Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno (normovaný názov) je súvislé vlákno obsahujúce z drvivej väčšiny uhlíkové atómy a s priemerom medzi 5–10 μm. Jeho najväčšou výhodou sú vynikajúce štrukturálne vlastnosti, vynikajúci pomer odolnosti v ťahu k váhe, tepelná a chemická odolnosť. Zatiaľ najväčšou nevýhodou je pomerne vysoká cena výroby.
Všeobecná charakteristika.
Pri výrobe uhlíkového vlákna sa atómy uhlíka spájajú do kryštalickej mriežky paralelne k pozdĺžnej osi vlákna, čo má za následok vysokú pevnosť v ťahu. Typicky je viacero vlákien spájaných dohromady a tvoria niť, ktorá je ďalej spracovaná na tkaninu podľa konkrétnych potrieb.
Okrem vysokej pevnosti v ťahu sa uhlíkové vlákno vyznačuje aj vynikajúcou odolnosťou voči agresívnym chemikáliám, vysokej teplote a má nízku tepelnú rozťažnosť. Tieto vlastnosti spolu s veľmi nízkou hmotnosťou ho predurčujú ako vynikajúci konštrukčný materiál v leteckej a kozmickej technike, v športových potrebách, motoristickom športe aj armáde. Pri niektorých aplikáciách je nahrádzaný najmä kevlarovým vláknom, ktoré má podobné vlastnosti, ale jeho výroba je podstatne lacnejšia.
Postupne vytláča sklené vlákno, ktoré je síce extrémne lacné, ale má podstatne vyššiu hmotnosť a aj v iných aspektoch nedosahuje také dobré výsledky ako uhlíkové vlákno.
Samotné uhlíkové vlákno je zväčša len hlavným konštrukčným materiálom pri výrobe kompozitných materiálov. Väčšinou sa uhlíkové vlákno alebo tkanina z uhlíkových vlákien (aj v niekoľkých vrstvách) vytvaruje do presne požadovaného výsledného tvaru, spevní epoxidovou živicou a vytvorí tak uhlíkový laminát. Je obdobou sklolaminátu, kde sa namiesto uhlíkových vlákien použijú sklené vlákna.
Uhlíkový laminát má vyššiu pevnosť ako oceľ, je však ľahší a pružnejší. Zároveň sa s ním ľahšie pracuje, čo umožňuje vytvárať prakticky akékoľvek predmety a tvary aj v amatérskych podmienkach. Pre vysokú tepelnú odolnosť sa vyrábajú špeciálne uhlíko-grafitové kompozity, ktoré sa vyhotovujú spekaním uhlíkových vlákien do grafitovej matice.
História.
Uhlíkové vlákno v roku 1958 vytvoril fyzik Roger Bacon na pôde Union Carbide v Technickom centre v Parme, dnes GrafTech International Holdings Inc. v Clevelande, štát Ohio. Prvé vlákna boli vyrobené spekaním zväzku viskózových vlákien až kým skarbonizovali. Výsledkom boli vlákna iba s 20%-ným obsahom uhlíka, nízkou pevnosťou a tuhosťou. Počiatkom 60-tych rokov proces zdokonalil Dr. Akio Shindo v Agentúre priemyselnej vedy a technológií v Japonsku použitím polyakrylnitrilových vlákien (PAN) ako zdrojového materiálu. Tentokrát bola dosiahnutá úroveň 55%-ného obsahu uhlíka.
Proces výroby ďalej zdokonaľovala skupina vedcov (W. Watt, L. N. Phillips a W. Johnson) vo Výskumnom stredisku britského Ministerstva obrany (RAE) vo Farnborough, Hampshire. Postup bol patentovaný Ministerstvom obrany Spojeného kráľovstva a Národná výskumno-vývojová korporácia (NRDC) udelila licenciu na jeho využitie trom spoločnostiam: Rolls-Royce, Morganite a Courtaulds. V priebehu niekoľkých rokov spustili priemyselnú výrobu karbónových vlákien a Rolls-Royce vďaka výhodám nového materiálu prenikol na americký trh so svojím leteckým motorom RB-211.
Súčiastky zhotovené z karbónových vlákien v novom motore Rolls-Royce však vykazovali nadmernú nespoľahlivosť. Toto spolu s ďalšími problémami spôsobilo, že firma musela byť zoštátnená a továreň na výrobu uhlíkových vlákien sa odpredala spoločnosti "Bristol Composites".
Kvôli rôznym problémom od výroby vlákien postupne upustili Morganite aj Courtaulds. Posledná menovaná vydržala vyrábať vlákna a produkty z nich až do roku 1991. Technológia však sľubovala dobré výsledky, a tak bola v sedemdesiatych rokoch adaptovaná a rozvíjaná viacerými spoločnosťami po svete. Ako zdrojový materiál sa testovali rôzne polyméry a ropné deriváty. Vyrobené vlákna mali až 85%-ný obsah uhlíka a vynikajúce štrukturálne vlastnosti v ťahu. V tomto období výrazne podporovalavývoj a výskum uhlíkových vlákien aponská vláda pričom hneď niekoľko spoločností zahčao vs ývoj oma výrobuo: Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon a Mitsubishi. Vývoj a výroba sa začali rozbiehať aj v Európe a USA, i keď s odlišnou technológiou na základe vlastných výskumov. K najväčším a najúspešnejším spoločnostiam v tejto oblasti patria Hercules, BASF, Celanese USA a Akzo v Európe.
Počas tohto obdobia bolo vyvinutých niekoľko druhov technologických postupov a typov uhlíkových vlákien s rôznymi vlastnosťami. Napríklad vlákno T400 od Toray má pevnosť v ťahu 4,400 MPa a modul pružnosti v ťahu 250 GPa. Uhlíkové vlákna od Toray, Celanese alebo Akzo si našli cestu pre použitie v leteckom priemysle, najmä u výrobcov lietadiel ako McDonnell Douglas, Boeing či Airbus. Po roku 2000 využívanie a dôležitosť uhlíkových vlákien rastie stále rýchlejším tempom.
Použitie.
Celosvetová produkcia uhlíkových vlákien a kompozitov mala v roku 2009 hodnotu približne 10,8 miliardy USD. V roku 2013 to bolo už 14,7 miliárd a do roku 2020 sa počíta s nárastom cez 24 miliárd. Najväčšími spotrebiteľmi je letecký a automobilový priemysel, výrobcovia športových potrieb, lodí, zariadení na veternú energiu a výrazný nárast zaznamenáva oblasť lekárskej protetiky a pomôcok.
Kompozitné materiály.
Uhlíkové vlákno sa najviac používa na posilnenie kompozitných materiálov, najmä v oblasti vystužovania polymérov. Postupy sú prakticky totožné ako pri sklolaminátu, kladie sa však väčší dôraz na čistotu a bezchybnosť výrobkov. Nezriedka sa "odliatky" vyrábajú alebo vytvrdzujú za pomoci vákua.
Nepolymérové aplikácie zahŕňajú najmä uhlíkovo-grafitové kompozity, ktoré sa používajú v raketovej technike a armáde. Tvoria kľúčovú súčasť prvkov rakiet alebo návratových modulov, ktoré musia odolávať vysokým teplotám v dôsledku trenia so vzduchom pri vysokej rýchlosti.
Uhlíkové vlákna je možné nájsť aj v špeciálnych filtroch na horúce plyny, pretože len málo materiálov má podobnú štruktúru a dokáže dlhodobo odolávať vysokým teplotám bez výraznejších známok únavy, zmien alebo poškodenia štruktúry.
Špeciálne upravené formy uhlíkových vlákien sa používajú ako antikorózna, antistatická a protipožiarna ochrana.
Uhlíkové kompozity postupne vytláčajú hliník a duralové zliatiny z použitia v leteckom priemysle. Dôvodom je najmä neexistencia galvanickej korózie a vyššia pružnosť. Napríklad Airbus A350 je zhotovený z 53% z uhlíkového laminátu, vrátane krídel a trupu, pri Boeingu 787 Dreamliner je to približne 50%.
Mikroelektróda.
Uhlíkové vlákno sa používa aj v amperometrii alebo vysokorýchlostnej skenovacej voltmetrii na detekciu biochemických signálov. Jediné vlákno s priemerom 5–7 μm je umiestnené do sklenenej kapiláry a zafixované epoxidom. Špičku elektródy tvorí buď vyleštený povrch epoxidu s vláknom alebo sa vlákno skracuje na presnú dĺžku medzi 75–150 μm a tvorí cylindrickú elektródu.
Katalyzátor.
Nanovlákna z PAN majú schopnosť efektívnej katalýzy pri prvom kroku vo výrobe syntetického benzínu a iných produktov z oxidu uhličitého.
Syntéza.
Každé uhlíkové vlákno začína svoju existenciu ako polymérový prekurzor. Je ním buď polyakrylonitril (PAN), rayon (viskóza), alebo asfalt. Prekurzory sa najprv zvlákňujú z východiskovej taveniny alebo syntetického polyméru na jednotlivé zväzky vlákien. Prechádzajú radom chemických a mechanických krokov, ktorých účelom je urovnať atómovú štruktúru vlákna do požadovanej konfigurácie. Každý výrobca má túto fázu inú a je často predmetom výrobného tajomstva. Druhým dôležitým krokom je karbonizácia, keď sa vlákno zohrieva na približne 1000-2000 °C bez prístupu vzduchu v niekoľkých krokoch. Výsledkom je vlákno s obsahom uhlíka 85-95%. Na dosiahnutie vyššej koncentrácie sa používa dodatočná grafitizácia pri teplotách 2400-3000 °C. Obsah uhlíka v takom prípade presahuje 99%, má lepšie vlastnosti, ale je aj podstatne drahší. Týmto vláknam sa hovorí "vyššie modulované uhlíkové vlákna".
Na konci výrobného procesu karbonizované vlákno ešte prechádza povrchovou a ochrannou úpravou.
Výrobcovia.
Medzi hlavných výrobcov uhlíkových vlákien patrí Cytec Industries, Formosa Plastics, Hexcel, Mitsubishi Rayon, SGL Carbon, Toho Tenax, Toray Industries a Zoltek. Výrobcovia zvyčajne ponúkajú rôzne druhy vlákien podľa potrieb zákazníkov na základe špecifických vlastností pre konkrétne použitie. Vyššie modulované uhlíkové vlákna sú zvyčajne drahšie.