Süsinikkiud

Allikas: Vikipeedia
Süsinikkiududest "kangas"

Süsinikkiud (inglise Carbon fiber; lühend CF) on materjal, mis sisaldab 5–10 µm diameetriga enamjaolt süsiniku aatomitest koosnevaid kiude. Süsiniku aatomid on keerdunud üksteise külge kristallidena, mis on suuremal või väiksemal määral joondatud paralleelselt piki kiu telge. Kristalliline joondumine annab kiule suure tugevuse oma väiksuse kohta. Mitmed tuhanded süsinikkiud on kedratud lõngaks, et hiljem sellest lõngast saaks kududa „kangast“.

Süsinikkiudude omadusteks on kõrge jäikus, väike soojuspaisuvus, hea venivus ja keemiline vastupidavus. Nad ei karda ka kõrgeid temperatuure. Tänu nendele omadustele on süsinikkiud väga populaarsed atmosfääri- ja kosmosetehnoloogias, ehituses, sõjatehnikas ja motospordis. Kuigi nad on suhteliselt kallid, võrreldes neid sarnaste kiududega, nagu klaaskiud või plastikkiud.

Süsinikkiud on segatud tavaliselt teiste materjalidega, et valmistada uusi segusid. Näiteks grafiidiga, et valmistada süsinik-süsinik materjale, mis on väga vastupidavad ka kõrgetel kuumustel.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Aastal 1958 lõi Roger Bacon suure jõudlusega süsinikkiud Parma Karbiidide Seltsi tehnoloogiakeskuses. Nüüd kutsutakse seda GrafTechi ülemaailmseks osakute ühinguks ja see asub Clevelandi lähedal Ohios. [1] Neid kiude toodeti kuumutades kunstsiidi niidikesi kuni nad söestusid. See protsess osutus ebatõhusaks, sest valminud kiud sisaldasid vaid 20% süsinikku ja neil puudus suur tugevus ning jäikus. 1960ndate alguses oli välja arendatud valmistusviis Dr Akio Shindo poolt, kes töötas Töösusliku Teaduse ja Tehnoloogia Agentuuris, mis asus Jaapanis. Ta kasutas toorainena polüakrüülnitriili (PAN). Nõnda õnnestus toota süsinikkiudu, mis sisaldas u 55% süsinikku.

Suure jõuvaru tugevusega süsinikkiud loodi W. Watt'i, L. N. Phillips'i ja W. Johnson'i poolt 1963. aastal, kes töötasid Kuningliku Lennundus asutuses Farnborough’s, mis asub Hampshire’s. Tootmine patendeeriti Ühendkuningriigi kaitseministeeriumi poolt. Seejärel litsentseeris Rahvusliku Uuringu ja Arengu ettevõte protsessi kolmele Briti kompaniile: Rolls-Royce (kes juba valmistas süsinikkiude), Morganite ja Courtaulds. Nad suutsid luua tööstusliku süsinikkiu tootmiseks vajalikud tööstusruumid mõne aastaga. Rolls-Royce kasutas ära uue materjali omadused, et tungida Ameerika turule oma RB-211 lennumootoritega.

Rolls-Royce keskendus süsinikkiude kasutamisele mootori kompressorlabades. Kui selgus, et sellised mootorid on eriti haavatavad kokkupõrgetele lindudega, siis mõjus see ettevõtte äriplaanidele väga halvasti. RB-211 lennukimootorite osas satuti tõsistesse probleemidesse ja kaasnenud majandusraskused sundisid Briti valitsust 1971. aastal ettevõtet riigistama. Süsinikkiude tootmisettevõte müüdi ja selle alusel moodustati uus firma Bristol Composites.

Süsinikkiu kõrge hind ja kõikuvad omadused piirasid oluliselt materjali müügivõimalusi. Nõnda otsustas ka Morganite sellest ärist väljuda ja Courtlands jäi ainsaks suurtootjaks Suurbritannias. Ettevõte jätkas süsinikkiudude tegemist, arendades kahte peamist turgu: kosmose- ja spordivarustust. Aastatega täiustati tootmise kiirust ja tooteomadusi.

Jaapani valitsus toetas kohalike ettevõtete tootearendust antud valdkonnas ja selleealane edu Jaapanis innustas ka USA ja Euroopa ettevõtteid asjaga tegelema. Turule hakkas lisanduma järjest uusi süsinikkiudude tüüpe.

1980ndatel jätkas Courtauld tegevust, kui suurim süsinikkiu tarnija spordikaupade turul. Laienemissoovidest kantuna otsustati ehitada tehas Californiasse, kuid plaan ei läinud ootuspäraselt ning lõppes sellega, et 1991. aastal väljus Courtauld süsinikkiu tootmisest.

1970-ndatel leiti katsetustööde käigus uus tooraine, milleks oli petrooliumpigi, mida saadi naftatöötlemisel. Need kiud sisaldasid umbes 85% süsinikku ja olid suurepärase paindetugevusega.

Struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Iga süsinikkiuniit on puntras miljoni süsinikniidiga. Üksik niit on õhuke toruke, mille diameeter on 5–8 mikromeetrit ja sisaldab ainult süsinikku. Esimesed süsinikkiudude diameetrid olid 7–8 mikromeetrit. Hiljem kiudude diameetreid sai kahandada 5 mikromeetrini.[2]

6 μm diameetriga süsinikniit(pealmine) võrduluses juuksekarvaga (alumine)

Süsinikkiu aatomiline ehitus on sarnane grafiidile, sisaldades süsiniku aatomite lehti, mis paiknevad regulaarselt heksagonaalse mustrina. Erinevus seisneb selles, kuidas need lehed põrkuvad omavahel. Grafiit on kristalliline materjal, mille lehed on kuhjatud paralleelselt teineteise peale regulaarses vormis. Intermolekulaarsed jõud lehtede vahel on suhteliselt nõrgad Wan der Waalsi jõud, andes grafiidile pehmed ja haprad omadused. Kui valmistada süsinikkiude, siis olenevalt lähteainest, süsinikkiud saab olla grafiidne, turbostraatiline või hübriidne struktuur, kus on nii grafiidne kui ka turbostraatiline osa esindatud. Turbostraatilises süsinikkius on süsiniku aatomite lehed juhuslikult volditud või kortsunud kokku. Süsinikkiud on valmistatus polüakrüülnitriilist (PAN), mis on turbostraatiline ehk süsinikkiud on tuletatud mesofaasi vaigust ja muutuvad grafiidseks pärast kuumutamist temperatuuril kuni 2200 °C. Turbostraatilistel süsinikkiududel kipub olema väga suur venivustugevus.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiude kasutatakse enamjaolt materjalide tugevdamisel, eriti materjaliklasside puhul nagu süsinikkiu- ja grafiidipolümeerid. Mitte polümeerseid materjale saab ka kasutada süsinikkiudude maatriksina. Tulenevalt metalli karbiidide moodustamisest ja korrosiooni kaalutlustest on süsinik piiramatult edenenud metalli maatriksi ühendite rakendustes. Tugevdatud süsinik-süsink (RCC) sisaldab süsinikku, mille kiud on tugevdatud grafiidist. Tugevdatud süsinik-süsinikku kasutatakse ehituslikult kõrge temperatuuri aladel. Kuid samuti leiab kasutust kõrge temperatuuriga gaaside filtreerimisel ja ka anti-staatilise komponendina. Vormitud õhukese kihiga süsinikkiude täiustab märgatavalt polümeeride või termokõvendavate ühendite vastupidavust tulel, sest nad on tihked. Kompaktsete süsinikkiudude kihid peegeldavad tõhusalt kuumust.[3]

Ülemaailmne vajadus süsinikkiu ühendite järgi on hinnatud umbkaudselt 10,8 billionit USA dollarit aastal 2009, millest vähenes 8–10% eelmisest aastast. Eeldatakse, et aastaks 2012 ulatub see summa 13,2 billioni USA dollarini ja tõuseb aastaks 2015 kuni 18,6 billioni USA dollarini, mille iga-aastane kasvuprotsent on 7 või enam. Suurimad nõuded tulevad lennunduse, tuuleenergia ja samuti ka autotööstuse valdkondadest.[4]

Süntees[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiu süntees polüakrüülnitriilist. 1. Akrüülnitriili polümerisatsioon PANiks. 2. Tsükliks muutmine madalal temperatuuril 3. Oksüdeerimine kõrgel temperatuuril ehk karboniseerimine. Pärast seda algab grafineerimisprotsess sealt, kus lämmastik on eemaldatud ja ahelad on ühinenud grafiittasanditeks.

Iga süsinikniit on toodetud prekursor polümeerist. Prekursor polümeer on tavaliselt kunstsiid, polüakrüülnitriil (PAN) või petroolium vaik. Sünteetilised polümeerid nagu kunstsiid ja polüakrüülnitriil (PAN) on ennekõike kedratud lõngaks, kasutades keemilisi ja mehaanilisi protsesse. Esialgu reastatakse polümeeriaatomid sellisse olekusse, kus tugevdatakse füüsikalisi omadusi. Prekursorite koostisosad ja mehaanilised protsessid, kuidas kedrata, on erinevad erinevate tootjate vahel. Pärast venitamist või ketramist, kuumutatakse polümeerkihid, et eemale peletada mitte-süsiniku aatomid. Nii valmibki lõplik süsinikkiud. Süsinikkiude töödeldakse vahel ka täiendavalt, et parandada käitlemise omadusi, siis juba keritakse koonuspoolidele.[5]

Tavaline tootmisemeetod sisaldab kedratud PAN-kiudude kuumutamist umbes 300 °C juures õhu käes, mis lõhub paljusid vesiniksidemeid ja oksüdeerib materjali. Oksüdeeritud PAN asetatakse ahju, milles on inertne gaas nagu argoon ja kuumutatakse kuni 2000 °C-ni, mis ärgitab materjali grafitisatsiooni, muutes molekulaarse sideme struktuuri. Kui kuumutatakse õigetel tingimustel, siis ahelate sidemed küljelt-küljele (redel polümeerid) moodustavad kitsa grafeeni lehed, mis lõpuks ühendatakse ühtseks piklikuks niidiks. Tulemuseks on tavaliselt 93–95% süsinikku. Madala kvaliteediga kiudu võib toota pigi või kunstsiidi prekursori asemel PAN'st. Süsinik kuumutatakse vahemikus 1500–2000 °C (karboniseerimine), mille tulemusel materjal talub kõrget tõmbetugevust (820000 psi, 5650 MPa või N/mm²). Kui aga süsinikkiud kuumutada 2500–3000 °C (grafineerimine), talub see suurt elastsuskoefinitsenti (77 000 000 psi või 531 GPa or 531 kN/mm²).

Tekstiil[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikkiudude lähteaineteks on polüakrüülnitriil (PAN), kunstsiid ja vaik. Süsinikkiust lõnga kasutatakse mitmetes töötlemismeetodites: otsesed kasutamisviisid on kiudude ketramine, kudumine, punumine, ja nii edasi. Süsinikkiu lõnga hinnatakse joontiheduse kaudu (pikkus ühe ühiku kohta 1 g / 1000 m = 1 tex). Näiteks 200 teksi 3000 süsinikkiu niidistikust on 3 korda tugevam kui 1000 süsinikkiudu, aga ka kolm korda raskem. Seda keeret saab kasutada süsinikkiu niidistiku riide või kanga kudumisel. Riide välimus sõltub tavaliselt lõnga tihedusest ja koe valikust. Mõned levinumad koe tüübid on koepindne toimne, satiin ja labane kude. Süsinikkiude saab ka silmkoeliselt kududa või palmida.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Bacon's breakthrough
  2. W.J. Cantwell, J Morton (1991). "The impact resistance of composite materials – a review". Composites 22 (5): 347–62. doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V. 
  3. Z. Zhao and J. Gou "Improved fire retardancy of thermoset composites modified with carbon nanofibers" Sci. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 015005 free download
  4. "Market Report: World Carbon Fiber Composite Market". Acmite Market Intelligence.
  5. "How It Is Made". Vaadatud 4.04.2010.

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]