Ugljična vlakna su vlaknasti materijal visokih performansi. Proces njegove pripreme uglavnom uključuje sljedeće korake:
1. Odabir sirovina
Glavna sirovina karbonskih vlakana je poliakrilonitril, koji je sintetičko vlakno.
Za pripremu karbonskih vlakana mogu se koristiti i neke druge sirovine kao što su smola od ugljena, prirodna vlakna.
2.Spinning
Prekursor se miješa s drugim materijalima, a zatim se prede u vlakna.
Vlakna se zatim peru i razvlače.
3.Stabilizacija
Ugljična vlakna moraju biti kemijski izmijenjena prije karbonizacije kako bi bila termički stabilnija promjenom svojih linearnih atomskih veza u ljestvičaste veze. Zagrijte vlakno na zraku na 200-300 stepeni otprilike 30 minuta do 2 sata. Ovaj proces zagrijavanja prisiljava atome ugljika da apsorbiraju atome kisika iz zraka i preuređuje molekule u termički stabilnije obrasce vezivanja.
Ovaj egzotermni proces mora se pažljivo kontrolirati kako bi se spriječilo pregrijavanje vlakana. Postoji nekoliko metoda koje se koriste za stabilizaciju karbonskih vlakana.
4. Karbonizacija
Nakon što se vlakno termički stabilizira, zagrijava se na 1,000-3,000 stepen u odsustvu kisika nekoliko minuta.
Nedostatak kiseonika sprečava da vlakna izgore na tako visokoj temperaturi. Tokom ovog procesa, važno je održavati pritisak zraka unutar peći višim od tlaka zraka izvan peći, te držati ulaz i izlaz vlakana zatvorenim kako bi se spriječilo ulazak kisika u peć.
Na ovoj visokoj temperaturi, vlakno izbacuje svoje ne-ugljične atome, a preostali atomi ugljika formiraju čvrsto vezane kristale ugljika.
Ovi ugljični kristali su poredani paralelno s dugom osom karbonskih vlakana.
5.Površinska obrada
Proces karbonizacije daje vlaknima glatku površinu koja se ne može dobro vezati s epoksidnom smolom i drugim materijalima koji se koriste za izradu kompozitnih proizvoda.
Stoga je površina blago oksidirana. Oksidacija daje površini bolja svojstva hemijskog vezivanja, a istovremeno urezuje površinu kako bi se hemikalijama omogućilo bolje prianjanje na površinu.
Vlakna se ponekad oksidiraju uranjanjem u plinove kao što su ugljični dioksid, zrak ili ozon, ili u tekućine kao što su dušična kiselina ili natrijev hipoklorit. U drugim slučajevima, oksidacija se postiže elektrolizom uranjanjem pozitivno nabijenih vlakana u kupku od provodljivog materijala.
Bez obzira na korišteni način pripreme površine, ključno je da se ona provodi pod pažljivim nadzorom stručnjaka kako bi se spriječilo unošenje površinskih nesavršenosti koje bi mogle dovesti do kvara materijala.
6.Sizing
Kada se oksidiraju, vlakna se omotavaju kako bi se spriječila oštećenja kada se namotaju na kalemove ili utkaju u tkaninu.
Proces premazivanja naziva se dimenzioniranje, a materijal za dimenzioniranje je pažljivo odabran kako bi bio kompatibilan s ljepilom koji se koristi za formiranje kompozitne strukture.
Materijali za premazivanje mogu uključivati poliester, najlon, uretan ili epoksid.
Treba napomenuti da je proces pripreme karbonskih vlakana relativno složen i zahtijeva strogu kontrolu procesa i uslove opreme kako bi se osiguralo da karbonska vlakna imaju dobre performanse i kvalitet.
