Углеродное волокно представляет собой полимер, который состоит из тонких нитей, полученных путем термической обработки органического материала и отличающихся высоким уровнем содержания углерода (до 99,99% по массе).
Получение углеродных волокон
Для их изготовления требуется исходный материал, в качестве которого могут выступать полимерные соединения: полиакрилонитрил, вискоза, волокна на основе фенольных смол и лигнина, продукты переработки каменноугольной смолы и нефтяных образований (пеки).
Данное сырье подвергают первичной обработке, нагревая и изменяя его химическую структуру и вводя в него вещества, которые способствуют термическому разложению органических соединений в условиях отсутствия воздуха. Результатом такого разложения, называемого пиролизом, является выход твердого продукта – кокса.
Далее происходит непосредственная термическая обработка подготовленного сырья, включающая три основных стадии:
- Окисление первичного материала;
- Карбонизация;
- Графитизация.
В результате проведенных манипуляций исходные волокна преобразуется в чистое вещество с максимальным содержанием одного элемента – углерода, которое может иметь разное процентное выражение, в связи с чем, выделяют карбонизированные, угольные и графитовые углеродные волокна (до 90%, 91-98%, более 98% содержания углерода соответственно).
Характеристика углеродных волокон
Непосредственно волокна очень тонкие, их диаметр меньше диаметра человеческого волоса.
Их свойства зависят от типа и состава исходного сырья, особенностей его обработки и применимой температуры.
Углепластик обладает следующими свойствами:
- Высокие – пористость, упругость, прочность, стойкость ко многим агрессивным факторам и реагентам, электропроводность;
- Низкие – плотность, коэффициент трения, коэффициент линейного расширения.
Ценные уникальные свойства углеродной ткани способствовали их широкому распространению в разных отраслях промышленности:
- В строительной – в ремонте несущих конструкций (мостов, зданий), для изготовления теплоизоляционных материалов;
- В авиационной – в качестве замены алюминиевых деталей за счет свойств легкости, прочности, гибкости, антикоррозийности;
- В железнодорожной – детали для вагонов, составляющие для железнодорожного полотна и проводов;
- В автомобилестроении – производство деталей, узлов, цельных корпусных элементов автомобилей;
- В судостроении – создание материалов и конструкций, преимущество которых состоит в прочности, антикоррозийности, ударостойкости, легкости, а также способности поглощать звуки, вибрации, электромагнитного излучения и т.д.;
- В ветроэнергетике – создание прочных, легких, длинных лопастей ветряных мельниц.
Сажа
Сажа (индустриальная сажа, англ. carbon black) представляет собой черный порошкообразный твердый материал. Исследования показывают, что сажа преимущественно (до 80-99,5%) состоит из углерода. Однако это высказывание не раскрывает ее основных свойств, в том числе внешнего вида и формы. Графит и алмаз состоят также из углерода. Однако между этими тремя субстанциями существует значительное различие.
Как показывают снимки, сделанные с помощью электронного микроскопа, сажа состоит из скопления крошечных неравномерно распределенных круглых частиц. Благодаря этому беспорядочному соединению образуется в общей степени большая удельная поверхность.
Обозначение типов сажи основано на мировых стандартах:
Получение
Индустриальную сажу получают многими способами. Технология изготовления допускает точно регулировать свойства и позволяет одновременно выпускать множество раличных типов сажию. Характеристики продукта точно определяются спецификацией и соответсвует техническим требованиям различных областей применения. На мировом рынке существует более сотни всевозможных типов со специальным профилем свойств. Легко можно представить, что сажа, образованная как побочный продукт горения, содержит еще дополнительные включения, которые затем и определяют ее эксплуатационные свойства. Почему существует такое большое количесво типов сажи? Это обусловлено множеством требований, которые предъявляют заказчики из различных сфер производства (например, для получения резино-технических изделий, использование сажи в качестве красителя, добавки для ультрафиолетовой стабилизация полиолефинов и т.д). Поэтому при производстве сажи также используют различное сырье и различные технологичекие схемы. В зависимости от условий производства получают характерный профиль свойств для конечного продукта.