Co je uhlíkové vlákno?
Uhlíkové vlákno (nebo také karbonové vlákno – z anglického carbon fibre) je druh vlákna obsahující uhlík v jeho různých modifikacích. Karbonové vlákno je dlouhý a tenký pramen materiálu o průměru 5–8 μm. Skládá se převážně z atomů uhlíku a je využíváno pro výrobu pevných a odolných tkanin používaných v různých oborech.
Atomy uhlíkového vlákna jsou spojeny v krystaly orientované paralelně k dlouhé ose vlákna. Díky takovému uspořádání mikroskopických krystalů vyniká uhlíkové vlákno na svou velmi malou tloušťku vysokou pevností.
Uhlíková vlákna a jejich využití
Naprostá většina produkce uhlíkových vláken nachází uplatnění jako výztuž kompozitů. Karbonové vlákno se také používá v mnoha odvětvích průmyslu, od výroby sportovního nářadí, až po materiál pro výrobu letadel.
Uhlíkové vlákno - příklady použití:
- Letectví – trupy a křídla letadel z uhlíkového vlákna
- Větrné generátory – z uhlíkových vláken jsou např. rotory, příp. offshore platformy
- Kompozity různých druhů – vojenské a civilní lodě, nádrže na plyn atd.
- Sportovní nářadí – čluny, golfové hole, skluznice lyží, dříky sportovních šípů a další sportovní potřeby, jejichž součástí je i karbonové vlákno
- Automobilový průmysl – uhlíková vlákna se používají např. na nárazníky a části karoserií
Výroba uhlíkového vlákna krok za krokem
- Příprava prekurzoru – úprava výchozího materiálu buď tavným zvlákňováním, nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivni strukturu a pevnost uhlíkových vláken. Uhlíkové vlákno je pak dlouženo na požadovanou jemnost.
- Stabilizace – před karbonizací je třeba, aby z dlouhých uhlíkových vláken vznikla teplotně stabilní zesítěná struktura. Provádí se na vzduchu zahřátím na poměrně nízké teploty 200 - 450 °C na 20 – 30 minut. To způsobí, že uhlíkové vlákno sbírá kyslíkové molekuly ze vzduchu a dojde tak k přerovnání atomové struktury vlákna. Při stabilizaci vzniká ve vlákně také vlastní teplo, které musí být kontrolováno, aby se zabránilo přehřívání. V praxi se někdy používá tažení vlákna skrze řadu zahřívaných komor nebo karbonové vlákno prochází přes rozehřáté válce a sypké materiály, které odebírají přebytečné teplo.
- Karbonizace – jedná se o převod prekurzoru na uhlíková vlákna. Provádí se v inertní atmosféře (obyčejně dusíkové), při teplotách mezi 1000 °C – 2000 °C. Bez přístupu kyslíku karbonové vlákno nemůže hořet. Místo toho způsobí vysoká teplota rozkmitání atomů ve vlákně tak, že většina neuhlíkových atomů je odstraněna. Výsledné vlákno obsahuje 85 - 95% uhlíku.
- Grafitizace – nemusí se provádět, ale pokud se provede, vznikají tzv. grafitová vlákna. Provádí se v inertní atmosféře, při teplotách mezi 2400 °C – 3000 °C. Dochází ke zvýšení obsahu uhlíku na cca 99 % a více. Vzniká také uspořádaná vrstevnatá struktura.
- Povrchová úprava – povrch karbonového vlákna dobře neváže epoxidy a další látky používané v kompozitních materiálech. Proto se povrch vlákna mírně oxiduje. Přidání kyslíkových atomů na povrch umožňuje lepší přilnavost dalších látek a zhrubnutí povrchu pro lepší mechanické spojení s těmito látkami. Okysličení může být dosaženo přístupem plynů, jako je vzduch, oxid uhličitý, nebo ozon nebo ponořením do různých kapalin jako chlornanu sodného nebo kyseliny dusičné. Uhlíkové vlákno může být také pokryto ochrannou vrstvou proti poškození při dalším zpracování.