Процесс производства углеволокна

Углеродное волокно или карбон, как его часто называют, является полимерным композитным материалом. Он, а вернее, разные конечные продукты, выполненные из углеволоконного сырья, получили широкое распространение в строительстве, автомобилестроении, судостроении, ветряной энергетике, в военной промышленности и аэрокосмической отрасли.

Интересен то, что впервые такие волокна были получены и даже использованы еще первооткрывателем углерода Эдисоном. Конечно, промышленного внедрения это открытие тогда не получило. Производство углеродных волокон началось только к середине ХХ века. Примечательно, что сейчас этот материал получают из полимеров, относящихся к самым разным типам. Таким образом, некоторые физико-химические свойства углеволоконной продукции значительно разнятся.

Сначала пара слов о внутренней структуре углеволокна. Представьте себе четко выровненные друг относительно друга микроскопические кристаллы, образованные практически только атомами углерода. Они выстроены в виде тонких нитей, которых лежит в пределах 3-15 микрон. Они могут выстраиваться и в форме жгута. Именно высокой степени упорядочения обязано главное свойство углеродного волокна – большая прочность на сжатие в одним или нескольких направлениях.     

Этапы производства углеволокна

Исходным сырьем чаще всего служит вискозное или полиакрилонитрильное волокно (ПАВ). Чтобы исключить примеси, получить упорядоченные волокна, состоящие как минимум на 92% только из атомов углерода, оно подвергается сложной температурной обработке. Происходит она в несколько шагов:

1. Получение лестничных структур, для чего исходное волокно нужно окислить на воздухе. Оптимальная температура процесса — 250 градусов Цельсия. Время обработки достигает суток.  

2. Карбонизация или нагрев до гораздо больших температур (800-1500 °C) в среде азота или аргона. В результате получаются графитоподобные структуры. Содержание углерода в них примерно 92%.

3. Графитизация, главная цель которой довести процент содержания атомов углерода в волоконных структурах до 99%. Процесс проходит только в инертных средах при очень высоких температурах, от 1600 до 3000 °C.  

Впрочем, обработку в некоторых случаях проводят, ограничившись двумя первыми этапами. Таким образом происходит получение карбонизированного типа углеродного волокна. Вообще, количество этапов, величины температур и прочие особенности каждой стадии термообработки зависят в большой степени от исходного сырья.

Некоторые важные особенности

Помимо органических волокон вискозы и ПАВ в качестве первичного сырья применяются волокна лигнина, фенольных смол, нефтяных и каменноугольных пеков. Полученное волокно может обладать повышенной прочностью. Тогда оно будет относиться к высокопрочным маркам. Можно, немного меняя условия термообработки, придать ему лучшую линейную упругость. В результате получается уже волокно высокомодульных марок.

Например, если для изготовления углеволокна исходно берется жидкокристаллический нефтяной пек, он проходит только карбонизацию, но при больших, до двух тысяч градусов, температурах. При этом, чем они выше, тем большее значение модуля упругости получит в итоге материал.

Буквально в последние годы ученые и инженеры из Москвы и других городов обратили внимание на роли гидрирования при производстве углеволокон. Уже внедрено первичное гидрирование смеси из каменноугольного пека и нафталовой смолы.

География, оснащение производств и конечная продукция

В России как минимум четыре крупных производства заняты изготовлением углеволокна. Одно находится в Челябинске, остальные три в городе Саратов и Саратовской области. На мировом рынке лидером по объему производимого углеродного волокна является японская корпорация Toray Industries.  Впрочем, производственные мощности компании расположены и в Европе. Среди остальных основных изготовителей преимущественно компании из Соединенных Штатов и Англии.

Производственные мощности должны быть оснащены профессиональным цеховым оборудованием. Это автоклавы, препреги, насосы, герметизирующие жгуты, вакуумные пленки и устройства для распределения вакуума. А также ловушки, проводящие сетки, рабочие столы.   

Цикл выработки углеродных волокон завершается представлением продукции в окончательном, приемлемом для различного применения, виде. Можно встретить волокно с резаными или непрерывными нитями, а также материалы на тканевой основе или без нее.

Это уже входит в задачи текстильной промышленности. Здесь получают однонаправленные ленты, двунаправленные, биаксиальные, квадроаскиальные ткани, а также особые дизайнерские ткани. Изготовление любой продукции, будь то жгуты, фибра, ровинг, пряжа или нетканые холсты, ведется по тем же технологиям, что и для любого другого волокна.