Nauka i technika
Włókna węglowe
Włókna węglowe to materiał, który zrobił błyskawiczną karierę i dzięki
znaczącej obniżce kosztów wytwarzania stał się powszechnie dostępny.
WA
ODZIMIERZ KUÅšMIERCZUK
ostępy współczesnej chemii to w oczach w amerykańskiej marynarce używano żaró-
laików przede wszystkim po jawianie wek z włóknem węglowym aż do roku 1960,
Psię w dobrach technicznych codzien- gdyż rozgrzany drucik wolframowy łatwiej
nego użytku ma teriałów zastępujących sto - zrywa się pod czas wstrzą sów niż włókno
sowane tradycyjnie: me tale, drewno, skórę, węglowe.
czy włókna na turalne. Coraz częściej ma te- Włókno węglowe, które można uważać
riały po limerowe nie są dla użyt kownika za pierwsze współczesne, wytworzył w 1957
zwykłym  plastikiem . Dzięki marketingowi roku dr ROGER BACON, pracujący dla
zna on nazwę tworzywa, z którego wykonane Union Car bide Parma Tech nical Cen ter
są części jego auta, czy sprzętu do uprawia- (Cleveland  Ohio). Surowcem był ny lon,
nia sportu i rekreacji. Jest świadomy jego za- który ogrzewany ulegał karbonizacji (uwę-
let i przewag nad ma teriałami  tradycyjny- gleniu). Produkt ten po czątkowo od zna-
mi . Wie, że do niedawna coś takiego by ło czał się niską zawartością węgla, w stosun-
tylko do dyspozycji kosmonautów i mistrzów ku do obec nie uzy skiwanej (do 100%),
sportu wyczynowego. Jednym z takich mate- oraz ni skimi pa rametrami wy trzymałości
riałów, któ ry zro bił bły skawiczną ka rierę i sprężystości. Amerykanie rozwijali tech -
i dzięki znaczącej obniżce kosz tów wy twa- nolo gie pro duk cji włókien wę glowych
rzania stał się powszechnie do stępny, są głównie na bazie nylonu i paku naftowego.
włókna węglowe. Nasi uczniowie wiedzą czę- Parametry uzy skiwanych włókien za częły
stokroć znacznie więcej od nas o ich wyko- osiągać niewiarygodne wręcz war tości.
rzystaniu, a ponieważ uczymy ich o odmia- LEONARD SINGER (Union Carbide) opaten-
nach alo tropowych wę gla już w gim naz- tował w 1977 roku metodę produkcji takie-
jum, war to wy jaśnić na lekcji chemii, czym go włókna z paku naftowego zwaną  taffy-
jest włókno węglowe. -pulling , przez ana logię do pro dukcji
z karmelu popularnych amerykańskich cu-
Początki włókna węglowego i jego historia kierków  ciągutek (ang. taffy). Ogrzewany
Za twórcę pierwszego włókna węglowe- do bardzo wy sokiej temperatury pak jest
go moż na uznać T. A. EDISONA, któ ry wyciągany przez spe urzą dzenie
cjalne
w swojej ża rówce, opa tentowanej w 1879 (również opatentowane), a długie cząstecz-
roku, zastosował je do wykonania żarnika. ki związków węgla ule gają wów czas
Materiał ten EDISON uzyskał przez ogrze - wzdłużnej orien tacji (uzy skują struk turę
wanie w warunkach beztlenowych celulozy ciekłokrystaliczną) i ule gają karbonizacji
zawartej w bawełnie. Za chodzi wów czas do włókna węglowego o wysokiej zawarto-
proces rozkładu ce lulozy z za chowaniem ści węgla (do 85%). Włókno otrzymane tą
łańcucha polimerowego i powstaje włókno metodą ma ultrawysoki moduł sprężysto-
przewodzące prąd. W udoskonalonych ża- ści (moduł YOUNGA)  nawet do 1000 GPa
rówkach węgiel zastąpiono wolframem, ale oraz dobre przewodnictwo cieplne. Ten ro-
Chemia w Szkole
6
Nauka i technika
dzaj tech nologii sto sowany jest obec nie
rzadko do produkcji włókien o specjalnym
przeznaczeniu, gdyż me toda jest kosz tow-
na. We wczesnych la tach 60 tych Amery-
kanie za częli używać jako su rowca po li-
akrylonitrylu (PAN), ale wkrótce z niego
zrezygnowali. Technologie produkcji włó -
kien z PAN rozwijali Japończycy, a następ-
nie Brytyjczycy, uzyskujÄ…c znakomite efek-
ty, a przy tym bardzo znacząco obniżając
Rys. 1. Włókno wÄ™glowe o Å›rednicy 6 µm (czarne) na tle
włosa ludzkiego.
koszty ich wytwarzania. Obecnie PAN jest
y
ródło: wikipedia.org./wiki/Karbon_fiber
najczęściej stosowanym na świecie prekur-
sorem włókien węglowych.
Struktura i właściwości włókien węglowych
Pojedyncze włókno węglowe jest długą
rurkÄ… o Å›rednicy 5 10 µm. SkÅ‚ada siÄ™ prawie
wyłącznie z węgla. Jego struk tura przypo-
mina do pewnego stopnia strukturÄ™ grafitu.
Krysz tał gra fi tu składa się z pła skich
cząsteczek węgla (gra fenów), gdzie atomy
Rys. 2. Struktura włókna węglowego.
węgla tworzą układ sześciokątów, a arku- y
ródło: http://www.chem.wisc.edu
sze grafenów ułożone są równolegle. Mię-
dzy tymi czą steczkami dzia łają słabe si ły wia, że materiał ma bardzo wysoki współ-
van der Waalsa, co sprawia, że gra fit jest czynnik sprężystości (kilkaset GPa) i, dzię-
miękki i kruchy. ki dużemu udziałowi atomów o hybrydyza-
Wzależności od użytego prekursora i wa- cji sp2, do bre przewodnic two ciepl ne.
runków karbonizacji włókno węglowe może Włókna otrzymywane z PAN mają struktu-
mieć struk turę gra fitową, tur bostratyczną rę turbostratyczną. Arkusze atomów węgla
albo zawierać fragmenty obu struktur. są tu zwinięte wzdłuż osi włókna i w sposób
Włókna wę glowe wy twarzane z pa ku przypadkowy po zaginane. Włók no ta kie
naftowego, który w momencie formowania ma dużą wytrzymałość na zrywanie, nawet
ma strukturę ciekłokrystaliczną, zachowują do 6 GPa. W zastosowaniach technicznych
uporządkowany powierzchniowo, heksago- wykorzystuje się oba typy strukturalne włó-
nalny układ atomów węgla. Powierzchnie kien. Porównanie parametrów stali o wyso-
ułożone są warstwowo, z tym że warstwy są kiej sprę żystości ze standardowym włók -
pofałdowane. Krystaliczna struk tura spra - nem węglowym przedstawiono w Tab. 1.
Tabela 1.
Parametry stali o wysokiej sprężystości i standardowego włókna węglowego
Wytrzymałość Moduł
Gęstość
Materiał na rozciąganie sprężystości Wytrzymałość/gęstość
[g/cm3]
[GPa] [GPa]
standardowe
3,5 230,0 1,75 2,00
włókno węglowe
stal o wysokiej
1,3 210,0 7,87 0,17
sprężystości
6/2008
7
Nauka i technika
Chemizm wytwarzania włókien węglowych Aby włókno węglowe otrzymane z PAN
Włókno wę glowe powstaje w pro cesie miało dobre właściwości mechaniczne, poli-
przekształcania w wy sokich temperaturach mer musi odznaczać się dużą czystością i ma-
struktury organicznych po limerów o bardzo są czą steczkową ok. 100 000 u. Najpierw
długich łańcuchach. Zawartość węgla w pro- PAN pod daje się utle niającej sta bilizacji
dukcie znacząco wzrasta, stąd nazwa procesu wpiecu wielostrefowym o rosnącej w sposób
 karbonizacja (grafityzacja). Najczęściej ciÄ…gÅ‚y temperaturze (150 300°C). Otrzyma-
stosowanym polimerowym prekursorem jest ny produkt ule ga na stępnie dwu etapowej
obecnie PAN, otrzymywany przez polimery- karbonizacji w innym piecu, w atmosferze ga-
zację akry lonitrylu (CH2=CH CN). Ni tryle zu obojętnego (zwykle azotu). Temperatura
sÄ… zwiÄ…zkami, które po jawiajÄ… siÄ™ w niektó- wzrasta wów czas od 1000°C do 2500°C.
rych licealnych podręcznikach dla rozszerzo- Większość wodoru, azo tu i tlenu usuwana
nego pro gramu chemii, ale przed stawiana jest w po staci sub stancji gazowych i two rzy
tam me toda ich otrzymywania (z ace tylenu się grafitopodobna struktura o bardzo dużym
i cyjanowodoru) nie ma nic wspólnego z prak- udziale atomów wę gla, któ rego orbitalom
tyką przemysłową. Monomer ten uzyskuje się walenycjnym przypisuje się hybrydyzację sp2.
jednoetapowÄ… metodÄ… przez utleniajÄ…cÄ… amo- Dodatkowe ogrzewa nie do temperatury ok.
nolizÄ™ propenu w obecnoÅ›ci odpowiednich 3000°C prowadzi do włókna wÄ™ glowego
katalizatorów. Sumę reakcji elementarnych owysokim współczynniku sprężystości i jesz-
dla tego procesu można zapisać: cze wyższej zawartości węgla.
CH2=CH CH3 + NH3 + 3/2O2
Zastosowania
CH2=CH CN + 3H2O
Splot tysięcy pojedynczych włókien tworzy
Ciąg początkowych przekształceń polia- nić, z której wytwarza się tkaniny (Rys. 4).
krylonitrylu ob razuje schemat re akcji Większość wy twarzanych włókien sto so-
pokazany na Rys. 3. wana jest jako ma te riał wzmac
niajÄ…cy
w kompozytach, gdzie za lewa
siÄ™ je jakimÅ› rodzajem polime-
ru, np. żywicy epok sydowej.
Ten drugi składnik nosi nazwę
matrycy. Wła ściwości kompo-
zytów za leżą od stopnia upo -
rządkowania włókien, jego za-
warto ści maso wej, ro
dzaju
polimeru matrycy. Uzyskiwane
materiały kompozytowe ma ją
zróżnicowane właściwości, stąd
wszechstronność ich za stoso-
wań. Ogromna wy trzymałość,
a przy tym lekkość wy robów
kompozyto wych wzmacnia-
nych włók nem wę glowym to
ich główna za leta. Ich barwa
zmie nia siÄ™ od szarej do
czarnej. Do pospolitych wyro-
bów kon sumenckich z włók -
nem węglowym należą, np.
sprzęt spor towy: rakietki do
Rys. 3.
tenisa sto łowego, wędki, ro-
Chemia w Szkole
8
Nauka i technika
chni ad sorbent można ła two zregenerować
i stosować powtórnie.
Recykling kompozytów
z włóknem węglowym
Recykling ma
teriałów kompozytowych
jest szczególnie utrudniony ze względu na
różne rodzaje szkieletu i matrycy, a przez to
kosztowny. Materiały odpadowe z kompozy-
tów klasyfikuje się jako odpady potencjalnie
niebezpieczne i część kra jów Unii Europej-
skiej od roku 2004 wprowadziła zakaz ich
Rys. 4. składowania na wy sypiskach. Powierzchnia
włókna węglowego pokrywana jest przed za-
wery, łodzie (kadłuby, masz ty), obuwie, nurzeniem w matrycy substancjami zwiększa-
ubrania, tarcze i koperty zegarków i inne; jącymi przy leganie żywicy. Znajdują się
obudowy laptopów i sprzętu audio, instru- wśród nich związ ki chromu(VI), któ rych
menty muzyczne, ale także drzwi i krzesła; uwalnianie do środowiska jest poważnym za-
elementy konstrukcji samolotów (w tym grożeniem. Spa lanie kom pozy tu prowadzi
największych pa sażerskich), aut, mo to- z kolei do uwalniania do powietrza mikro-
cykli i wiele ak ceso riów używanych skopijnych, przewodzących prąd włó kien
wmotoryzacji. i także nie wchodzi w grę. Ponieważ włókno
Wbudownictwie stosuje się już beton węglowe jest cennym materiałem, jego rege-
zbrojony prę tami z włókna węglowego neracja z odpadów mo że być zy skownym
zamiast stalą. Może on służyć do wznosze- przedsięwzięciem. Inicjatorem recyklingu ta-
nia nowych, lżejszych i odporniejszych bu- kich odpadów był przemysł lotniczy, zużywa-
dowli lub naprawy i modernizacji już istnie- jący obecnie ogromne ilości tego tworzywa.
jących, np. mostów. Nie tylko przedłuża to We wprowadzonym na rynek w 2007 roku
ich żywotność, bo zbro jenie nie ko roduje najnowszym modelu samolotu Boeing 787
i nie ulega zmęczeniu jak stal, ale także  Dreamliner , Airbus A-350, włókno węglowe
zwiększa wytrzymałość konstrukcji. stanowi ok. 50% masy. Stosuje się kilka tech-
Gra fit wzmocniony włóknem wę glo- nologii re cyklingu tzw. trze ciej ge neracji.
wym jest materiałem konstrukcyjnym stoso- Jedna z nich, zwana konwersją katalityczną,
wanym w warunkach wysokiej temperatury. prowadzona w rafineriach ropy naftowej, po-
Używa się go do fil tracji gazów o wy sokiej zwala uzyskiwać z materiału matrycy związki
temperaturze, wytwarzania elektrod o dużej organiczne, które mogą być składnikami pa-
powierzchni i całkowicie odpornych na koro- liw i impregnantami do drewna. Odzyskane
zję, a także jako składnika antystatycznego. włókno węglowe szkieletu ma czystość powy-
Aktywowane włókna węglowe stosuje żej 99% (!). Niedostatkiem jest to, że włókno
się w domowych fil trach do wody i w woj - regenerowane jest krót sze od pierwotnego
skowych maskach przeciwgazowych; nie sÄ… na skutek ciÄ™ cia lub mie lenia kompozytu,
stosowane jako materiał wzmacniający. Pre- stąd ma węższy zakres zastosowań. Jest za to
kursorem jest dla nich celuloza, np. w posta- tańsze od nowo wy tworzonego, a pa ramet-
ci jedwabiu wiskozowego, lub włókna winy- ry wytwarzanych z niego kompozytów są nie-
lowe. Tkaniny z takich włókien ogrzewa się co gorsze.
do 1300°C w sÅ‚abo utleniajÄ…cej atmosferze
(CO2 lub para wodna). Nadaje to produkto- Mgr
WA
ODZIMIERZ KUÅšMIERCZUK
wi po rowa tą struk tu rę i ol brzymią po - Gimnazjum Nr 3 oraz I Społeczne Liceum Ogólnokształcące
w Zamościu.
wierzchniÄ™ sorpcyjnÄ…. Po nasyceniu powierz-
6/2008
9