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 ose 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, športových potrieb, motoristickom športe aj armáde. Pri niektorých aplikáciách je nahrádzaný najmä kevlarovým vláknom, ktoré má podobné vlastnosti, ale je podstatne lacnejšie na výrobu.
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 vlákna 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 namiesto uhlíkových vlákien sa použijú sklené vlákna.
Uhlíkový laminát má vyššiu pevnosť ako oceľ, je však ľahší a pružnejší. Taktiež sa s ním ľahšie pracuje a 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% obsahom uhlíka, nízkou pevnosťou a tuhosťou. Počiatkom 60-tych rokov bol proces zdokonalený Dr. Akiom Shindom v Agentúre priemyselnej vedy a technológií v Japonsku, použitím polyakrylnitrilových vlákien (PAN) ako zdrojového materiálu. Tentokrát bola dosiahnutá úroveň 55% obsahu uhlíka.
Proces výroby bol ďalej zdokonaľovaný skupinou vedcov (W. Watt, L. N. Phillips, and W. Johnson) vo Výskumnom stredisku britského Ministerstva obrany (RAE) vo Farnborough, Hampshire. Postup bol patentovaný Ministerstvom obrany Spojeného kráľovstva a licencovaný Národnou výskumno-vývojovou korporáciou (NRDC) trom spoločnostiam: Rolls-Royce, Morganite a Courtaulds. V priebehu niekoľkých rokov spustili priemyselnú výrobu karbónových vlákien a Rolls-Royce vďaka nim získal výhodu na americkom trhu s ich leteckým motorom RB-211.
Súčiastky zhotovené z karbónových vlákien v novom motore Rolls-Royce však vykazovali nadmernú nespoľahlivosť. Spolu s inými problémami musela byť firma znárodnená a továreň na výrobu uhlíkových vlákien bola predaná spoločnosti "Bristol Composites".
Kvôli rôznym problémom výrobu vlákien postupne opustili Morganite aj Courtaulds. Posledne menovaná vydržala vyrábať vlákna a výrobky 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% obsah uhlíka a vynikajúce štrukturálne vlastnosti v ťahu. V danom období japonská vláda vývoj a výskum uhlíkových vlákien výrazne podporovala, pričom hneď niekoľko spoločností zahájilo vývoj a výrobu: Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon a Mitsubishi. V Európe a USA sa vývoj a výroba taktiež začala rozbiehať, aj 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 je najviac používané k posilneniu kompozitných materiálov, najmä v oblasti vystužovania polymérov. Postupy sú prakticky totožné ako u sklolaminátu, avšak kladie sa väčší dôraz na čistotu a bezchybnosť výrobkov. Nezriedka sa "odliatky" vyrábajú alebo vytvrdzujú za pomoci vákua.
Nepolymérové aplikácie zahŕňajú najmä uhlíko-grafitové kompozity, ktoré sú používané v raketovej technike a armáde. Tvoria kľúčovú súčasť prvkov rakiet alebo návratových modulov, ktoré musia odolávať vysokým teplotám v dôsledku trenia pri vysokej rýchlosti so vzduchom.
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 antikorózne ochrany, antistatické a protipožiarne.
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 postavený z 53% z uhlíkového laminátu, vrátane krídiel a trupu, u 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 o priemere 5–7 μm je umiestnené do sklenenej kapiláry a zafixované epoxidom. Špičku elektródy tvorí buď vyleštený povrch epoxidu s vláknom, alebo je vlákno skrátené 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

Jednotlivé uhlíkové vlákno začína svoju existenciu ako polymérový prekurzor. Je ním buď polyakrylonitrilu (PAN), rayon (viskóza), alebo asfalt. Prekurzory sa najprv zvlákňujú z východzej 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%. Pre dosiahnutie vyššej koncentrácie sa používa dodatočná grafitizácia pri teplotách 2400-3000°C. Obsah uhlíka v takom prípade dosahuje nad 99%, má lepšie vlastnosti, ale je aj podstatne drahší. Týmto vláknam sa hovorí aj vyššie modulované uhlíkové vlákna.
Na konci výrobného procesu sa karbonizované vlákno ešte upravuje povrchovou úpravou alebo ochranou.

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.