Углеродное волокно – характеристики и особенности хранения
В наиболее ответственных изделиях применяют углекомпозиты (углепластики). Согласно расчетам, среди всех возможных соединений, на основе периодической системы элементов, графит имеет самые высокие прочностные и термические характеристики. Углеродное волокно имеет один из наиболее высоких показателей по удельной прочности среди других волокон. Имеет высокую стойкость к кручению и усталости. Уступая лишь в ударной прочности арамиду и стеклу.
Углеродное волокно-производство
Столь высокую стоимость углеродного волокна обуславливает сложность и энергоемкость процесса его получения. Смысл процесса состоит в поэтапной чистке углеродосодержащих нитей от ненужных атомов, оставляя в конце процесса до 99% углерода в объеме нити.
УВ получают путем термического разложения (пиролизом) исходных нитей: гидратоцеллюлозных, полиакрилонитрильных (ПАН). Так же нефтяных или каменноугольных пеков. В настоящее время, промышленное значение имеет производство УВ на базе вискозы или ПАН.
Процесс получения УВ на основе ПАН
Следует заметить, что химический состав и структура УВ зависит от состава исходного сырья.
В первую очередь, полиакриловые жгуты подвергают окислению, проводя термическую обработку на воздухе при температуре около 200 °С.
Окисленный ПАН так же представляет интерес в некоторых сферах производства как термостойкий и трудно горючий материал.
После окисления, полотно проходит через печи карбонизации (около 1500 °С) и графитизации (около 3000 °С). На этой стадии удаляются остатки водорода и гетероатомов, происходит образование двойных связей между атомами углерода. Процессы карбонизации и графитизации проводятся в инертной среде.
В завершении процесса карбонизации (в некоторых случаях стадия графитизации может исключаться) жгут имеет готовый химический состав и структуру, но проходит еще ряд этапов для повешения адгезии с матрицей:
- обработка поверхности. Поверхность карбонового полотна вследствие данной реакции становится «шероховатой». Обнажая атомы углерода и создавая свободные функциональные группы способные к ионному обмену.
- нанесение ПАВ (поверхностно активное вещество). Оно же, так называемое аппретирование. В качестве аппрета чаще наносятся эпоксидные смолы без отвердителя. Аппрет защищает от истирания в процессе хранения, транспортировки и текстильной переработки. Вытесняет из пор влагу и воздух.
Этап сушки после нанесения аппрета является завершающим этапом, после которого жгуты наматываются на бобины (обычно массой до 8 кг).
Характеристики углеродного волокна
Модуль упругости. УВ обычно группируются в соответствии со своим модулем:
- Низкомодульное (HS): 160-270 ГПа;
- Средний модуль (IM): 270-325ГПа;
- Высокомодульное (НМ): 325-440 ГПа;
- Сверхвысокий модуль (UHM): 440+ ГПа;
Диаметр и количество элементарных нитей. Каждый жгут состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов). Диаметр такой углеродной нити: 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса. В маркировке у любого типа волокна есть обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К- это и есть количество филаментов в жгуте (в тысячах).
Линейная плотность. Кроме обычной плотности, у волокон принято выделять так же линейную. Измеряется она в тексах (tex). Если линейная плотность указана 800 tex, значит, километр этого жгута имеет массу 800гр.
Прочностные характеристики
Итоговое значение прочности, указываемое в сертификатах качества и т.д. снимается уже с пропитанного и отвержденного жгутика (микропластика). Микропластик- жгут пропитанный полимерным связующим и отвержденный при воздействии растягивающего напряжения.
УВ достаточно хрупкое поэтому не имеет большого смысла снимать с него прочностные характеристики в непропитанном виде. Так же, для конечного потребителя важнее знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому в чаще всего указывают:
- Прочность при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
- Модуль упругости при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
Условия транспортировки и хранения углеродного волокна
- Бобины должны храниться в крытых складских помещениях в упакованном виде, коробки должны находиться в горизонтальном положении.
- Рекомендуемые условия хранения.
- Температура: 0-40 °С. Хранение при минусовой температуре не рекомендуется.
- Влажность: 40-80%.
- Допускается перевозка в неотапливаемом транспорте при температуре до -30 °С.
- Во избежание конденсации влаги на поверхности. Перед использованием, нераспакованные бобины должны быть выдержаны не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 °С и влажности от 40 до 80%.
- При правильных условиях хранения, производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет с даты производства.
Заключение
Надо понимать, УВ не является гарантией качества и гарантией сверх прочностных свойств изделия. Сами по себе углеродные нити довольно хрупкие и ломкие. Без правильных условий полимеризации или при не правильном подборе матрицы или ее не совместимости с нитью можно и не достигнуть заявленных производителем свойств. К тому же УВ уступает базальту и стеклу в некоторых видах мех. испытаний. При том, что даже самое дорогое стекло и базальт в 10ки раз дешевле, чем самое дешевое углеродное волокно. В дополнение ко всему, по причине широкого применения углеродных волокон в оборонной промышленности, для того чтобы купить его за рубежом напрямую у производителя необходимо получение лицензии.
Буду признателен за любую обратную связь. Спасибо!
Каким документом в маркировке УВ регламентируется обозначение волокон 3К, 6К и т.д.? Где сказано, что количество филаментов надол обозначать именно так?