Дополнительная переработка УВ
Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы.
Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинг, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же, как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита.
Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литьё под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.
- На основе вискозных нитей и волокон:
- нити, ленты, ткани;
- нетканый материал;
- активированные сорбирующие ткани;
- активированные сорбирующие нетканые материалы.
- На основе вискозных штапельных волокон:
- На основе ПАН-нитей и жгутов:
- ленты и ткани ;
- активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы;
- дисперсный порошок из размолотых волокон.
- На основе ПАН-волокон:
Особенности
Названия углеволокно и карбон, а в ряде источников еще и углеродное волокно встречаются очень часто. Но представление о действительных характеристиках этих материалов и возможностях их использования у многих людей достаточно разное. С технической точки зрения, этот материал собран из нитей сечением не менее 5 и не более 15 мкм. Почти весь состав приходится на долю углеродных атомов — отсюда и название. Сами эти атомы сгруппированы в четкие кристаллы, которые образуют параллельные линии.
Подобное исполнение обеспечивает очень большую устойчивость к растягивающему усилию. Волокно из углерода нельзя считать совершенно новым изобретением. Первые образцы похожего материала получал и использовал еще Эдисон. Позднее, в середине ХХ века углеволокно пережило ренессанс — и с этого момента его использование неуклонно возрастает.
Как проводится усиление углепластиком
Усиление железобетонных балок углеродным холстом проводится так:
- На продольные участки подвергающихся нагрузке конструкций монтируют ленты углепластика. Установку проводят с использованием адгезивных материалов. После просыхания волокно приобретает требуемую жёсткость, прочно пристаёт к укрепляемому элементу.
- На поперечные участки, фиксации анкерных, арматурных соединений монтируют бандажи, воспринимающие нагрузку на малой площади.
По сравнению с другими способами применяемое REINFORCE усиление балок углеволокном имеет преимущества:
- крайне высокая эффективность при ликвидации усталостных деформаций, разрушений;
- химическая инертность, устойчивость к водным, органическим растворам, кислотным, щелочным средам;
- отсутствие влияния на толщину и массу укрепляемых конструкций: толщина холста — до 1 миллиметра, а удельный вес — 230 граммов на квадратный метр;
- возможность применения на любых материалах: бетоне, армированном бетоне, искусственном, натуральном камне, дереве, металлах.
Усиление балок, ригелей, других несущих конструкций композитным волокном REINFORCE проводит с использованием нетоксичных клеящих соединений. Полимерное вещество обеспечивает прочное сцепление, выполняет герметизирующую функцию, не разрушается под действием влажных сред. Метод подходит для укрепления элементов квадратного, двутаврового, прочих сечений.
Основные сведения
Основная составляющая часть углепластика — это нити углеродного волокна, состоящего в основном из атомов углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).
Для придания ещё большей прочности ткани, нити углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.
Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов:
- Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.
- После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.
- Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.
Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже.
Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоёв используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклонитью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав).
Недостатки
При производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий (в том числе, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеновская, оптическая голография и даже акустический контроль).
Другим серьёзным недостатком углепластиков является их низкая стойкость по отношению к ударным нагрузкам. Повреждения конструкций при ударах посторонними предметами (даже при падении инструмента на неё) в виде внутренних трещин и расслоений могут быть невидимы глазу, но приводят к снижению прочности; разрушение повреждённой ударами конструкции может произойти уже при относительной деформации, равной 0,5 %.
Греющее углеволокно
Основа для нагревательного кабеля может быть различной, в данном случае это углеродная нить.
Углеволоконный греющий кабель – например, кабель для пола, знаком большинству потребителей. Основное отличие от аналогов: токопроводящий полимер на углеродной основе. Плюсы греющего УВ-кабеля: тонкий и прочный, простой в монтаже и пригодный к эксплуатации в любой среде – в бетоне, под плиткой, ламинатом, линолеумом и на стенах. Выделяет в 3 раза больше тепла, а электроэнергию экономит примерно в два раза, служит дольше аналогов. Теплые полы на основе углеволоконного кабеля модульным методом все более популярны.
Примеры использования углеродного волокна
Космонавтика, ракетостроение и самолетостроение — углеродные волокна используют в создания материалов для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств и для энергетических установок.Автомобилестроение — используется для изготовления капотов, крыш, карданных валов, для панелей корпусов, в изготовлении шин, газовых баков.Промышленность — материалы для изготовления поездов, верхней панели для рентгенов, ПК корпусов, для фильтрации агрессивных сред, очистки газов.Спортивный инвентарь — используется при производстве удочек, велосипедов, клюшек, стоек, рукояток для клюшек и так далее.Оборонная и военная промышленность — используется при производстве современных индивидуальных средств защиты, при производстве экзоскелетов, производство современного вооружения и частей к боевому оружию и т.д.Медицина — специальная одежда для операционных с добавлением углеродных волокон, специальный инструмент и т.д.
Производство изделий из полимерного материала
Полимерный материал – карбон представляет собой тонковолоконные нити ø от 5 до 15 мкм, образованные атомами углерода и объединенными в микрокристаллы. Именно выравнивание при ориентации кристаллов придает нитям хорошую прочность и растяжение, незначительный удельный вес и коэффициент температурного расширения, химическую инертность.
Производственные процессы получения ПАН волокон связаны с технологией автоклава и последующей пропиткой для упрочнения смолой. Углеродное волокно пропитывают пластиком (препрег) и пропитывают жидким пластиком, укрепляя нити волокна под давлением.
По физическим характеристикам углеродное волокно разделено на типы:
- высокопрочные карбоновые волокна (состав 12000 непрерывных волокон)
- волокна карбонизированные углеродные общего назначения (крученая нить из 2-х и более волокон длиной до 100 мм).
Углепластиковые конструкции, армированные изделиями из материала, уменьшают вес конструкции на 30%, а химическая инертность позволяет использовать карбоновые ткани при очистке агрессивных жидкостей и газов от примесей в качестве фильтра.
Производство углеродного волокна представлено в этом видео.
Изготовление деталей из карбона методом препрегов
Промышленный процесс формования изделия из препрега (заготовок для формования) в автоклаве представляет собой одновременное протекание сложных процессов:
- полимеризацию компаунда,
- вакуумное удаление воздуха и излишков смолы,
- высокое давление ( до 20 атм) прижимает все слои к матрице, уплотняя и выравнивая их.
Это дорогостоящий процесс, поэтому для мелкосерийного тюнинга в домашних условиях малопригодный.
Но разделение этих процессов удешевляет и удлиняет всю процедуру самостоятельного получения карбона. Изменения при этом вносятся в технологию подготовки препрега, поэтому всегда нужно обращать внимание, для какой технологии предназначена заготовка
В этом случае препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы заготовка с обеих сторон покрывается полиэтиленовой пленкой и пропускается между двух валов. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются.
Препрег вдавливается в матрицу пуансоном, и вся конструкция помещается в термошкаф. То есть в данном случае препрег представляет полностью готовую к формованию заготовку, с обжатыми слоями и удаленным воздухом.
Этот метод чаще всего и используют автомастерские, покупая заготовки карбона, а матрицы изготавливаются из алебастра или гипса, иногда вытачиваются из металла или в качестве модели используется сама деталь. которую вы хотите повторить из карбона. Иногда модели вырезаются из пенопласта и остаются внутри готовой детали.
Углепластик своими руками проще всего сделать методом «обтяжки» или аппликации углеполотна на заготовку.
Рекомендации
- Swan KR Сэр Джозеф Свон и изобретение электрической лампы накаливания , Лондон, Longmans, Green and Co., 1946, стр. 21–25
- Льюис Х. Латимер, Патент США 252386 Процесс производства угля
- Р. Бэкон, Рост, структура и свойства усов графита , Журнал прикладной физики , т. 31, n ° 2, февраль 1960 г., стр. 283–290
- Р. Бэкон, Нитевидный графит и метод его получения , Патент США 2,957,756.
- Патент США № 3294489.
- Д.А. Бейкер, Т.Г. Риалс, Последние достижения в производстве недорогих волокон из лигнина , Journal of Applied Polymer Science , vol. 130, стр. 713-728, 2013
- ↑ и
- ↑ и П. Дельхес, П. Олри, Углеродные волокна и композиционные материалы , L’Act. Чим. , полет. 295-296, с. 42-46, 2006 г.
- ↑ и
- ↑ и P.J. Walsh, Carbon Fibers , ASM Handbook , vol. 21, 2001, с. 35-40
- X. Бертран, Поведение в окислительной среде углеродно-углеродного композита для структурных приложений при температуре от 150 до 400 ° C в гражданской авиации , диссертация Университета Бордо I, 2013 г.
- Льюис, И.С., Процесс производства углеродных волокон из мезофазного пека , Патент США No. 4032430, 1977 г.
- Дифендорф, RJ; Риггс, Д.М., Формирование оптически анизотропных пеков , Патент США No. 4208267, 1980 г.
- Дж. Д. Бакли, Д. Д. Эди, Углерод-углеродные материалы и композиты , Noyes Publications , 1993
- W. Fang, S. Yang, X.-L. Ван, Т.-К. Юань, Р.С. Сан, Производство и применение углеродных волокон на основе лигнина (LCF) и углеродных нановолокон на основе лигнина (LCNFs) , Green Chemistry , vol. 19, стр. 1794-1828 , 2017
- С. Отани, Ю. Фукуока, Б. Игараси, С. Сасаки, Патент США 3461082, 1969 г.
- Ю.-Л. Ли, И. А. Кинлох, А. Х. Виндл, Прямое прядение волокон из углеродных нанотрубок в результате химического синтеза из газовой фазы , Наука , т. 304, стр. 276, 2004 г.
- Р. Хаггенмюллер, Х. Х. Гомманс, А. Г. Ринзлер, Дж. Э. Фишер, К. И. Вини, Выровненные одностенные углеродные нанотрубки в композитах методами обработки расплава , Химическая физика Letters , vol. 330, стр. 219, 2000 г.
- Б. Виголо, А. Пенико, К. Кулон, К. Саудер и др. , Макроскопические волокна и ленты из ориентированных углеродных нанотрубок , Наука , т. 290, стр. 1331, 2000
(fr) Эта статья частично или полностью взята из статьи в Википедии на английском языке под названием « Углеродные волокна » ( см. список авторов ) .
Что такое углеродные волокна
Улеволокно (карбон) представляет собой полимерно-композитный материал, в основе которого лежат углеродные нити. Имеет наибольшую популярность среди других пластиков и композитов. Имея четырёх кратную прочность на разрыв, чем у наилучших марок стали, углеволокно намного легче железа (на 75%) и алюминия (на 30%).
Углеродные нити достаточно ломкие и поэтому из них создают эластичное полотно. А добавление полимерных связующих составов позволяет изготавливать углепластик, совершивший революцию во множестве сфер деятельности человека.
Для чего нужен карбон (углеволокно)
Углеродные волокна представляют собой альтернативу традиционным материалам, например, стали, алюминию, стеклопластику и для строительства легких ферм и каркасных конструкций. Они обладают высокой прочностью, надежностью, возможностью настройки, и имеют малый вес.
Углеволокно на данный момент пользуется большим спросом у строителей и ремонтников. Подобная популярность обусловлена высокой прочностью материала
Это качество очень важно при обустройстве внешнего армирования кирпичных, железобетонных и деревянных систем
Конструкция, оклеенная углеволокном, получает дополнительно до 60 % прочности и до 110 % прочности на сжатие. Хоть и выглядит это не достаточно правдоподобно, все проверки по СНиП и ГОСТ это подтверждают. Поэтому, если собираетесь делать ремонт или занимаетесь строительством, можете в серьез подумать об усилении из карбона.
Усиление прочности конструкции позволяет сократить размеры основания. Углеволокно удерживает на себе значительные нагрузки, самое главное, чтобы было, куда его приклеить. Сокращение необходимого материала за счет использования современного карбона является актуальным мероприятием для отдаленных регионов, куда сложно доставить тяжелые строительные материалы.
Помимо этого углеволокно сейчас используют при ремонте несущих элементов из камня. Путем армирования восстанавливаются балки и опоры бетонных мостов. Как правило, используется карбон в промышленности, но может применяться и в частном строительстве, где нагрузки значительно ниже, а значит, запас прочности будет довольно большим.
Достоинства материала
Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.
- Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше.
- Вес панелей становиться намного легче (до 75%).
- Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод.
- Обладает высокой огнестойкостью.
- Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей.
Недостатки
Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования
- Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.
- Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях.
- Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.
Суть технологии усиления конструкций углеволокном
Углеродное волокно представляет собой линейно-упругий полимерный композит, изготовленный из углеродных нитей толщиной от 5 до 15 микрон. Благодаря выравниванию тонкие волокна объединены в микроскопические кристаллы, что существенно повышает прочность материала на растяжение. Благодаря этому по своим техническим свойствам (в частности, по твердости) углеродное волокно в несколько раз превосходит металл, что позволяет использовать его в оборонной промышленности, аэрокосмической сфере и строительстве.
Одним из ключевых преимуществ метода усиления углеволокном является простота реализации. Технология предполагает наклеивание на поверхности армируемых элементов углеродных лент с помощью специальных связующих составов. При усилении ленты из углеволокна можно непосредственно крепить к растянутым и сжатым элементам, пролетным зонам изгибаемых конструкций, консольным системам, коротким стойкам, гибким колоннам. После наружного армирования на поверхность наносится полимерцементный состав, выполняется финишная отделка и окраска специальными акриловыми покрытиями.
Технология усиления углеволокном может применяться для различных видов конструкций, включая:
- бетонные;
- железобетонные;
- каменные;
- металлические;
- деревянные.
Метод композитного армирования идеально подходит для строительных ферм, потолочных и стеновых проемов, стен зданий и построек, плит перекрытия, колонн и других несущих элементов.
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).
Армирование углеволокном
Исходный вид углеволокон – это тончайшая микрофибра, пригодная для армирования и монолитного бетона, и эпоксидного гелькоата. Толщина фибры – 5-10 микрон, длина волокон различна. Укрепляют углеволокном и отделочные поверхности, и несущие элементы в массиве.
Что касается закладного армирования, то оно выполняется в строительстве «традиционно» — переработанными УВ-продуктами: карбоновым текстилем различных видов, холстами, ровингом, стержневой арматурой на полимерных смолах. Последний вариант – пример работы карбоновых волокон не в качестве микроармирования для несущего элемента, но для надежного крепежа и фиксации. По качествам прочности (в том числе на сдвиг и скручивание) и фиксации углеволоконная фибра во много раз превосходит стеклянную, полимерную и металлическую.
Усиление перекрытия углеволокном
Перекрытие, так же как и любую другую несущую конструкцию здания, можно усилить сеткой, ламелью или лентой из углеволокна методом наклейки в напряженной зоне (по расчету, но чаще всего это нижняя грань плиты в центре пролета). Цель усиления перекрытия – повысить несущую способность по изгибающим моментам. Это относится и к сборным элементам – усиливают и монолитные и пустотные плиты по сходной технологии. В приопорных зонах для элементов перекрытий любого вида минимизируют развитие наклонных трещин – для этого применяют углеродные ленты или сетки в виде U-образных хомутов. Возможно усиление не только ж/б, но и металлического, и деревянного перекрытия.
Усиление деревянных балок углеволокном
Деревянные элементы можно усилить обмоткой карбоновым полотном, ровингом, углетканью любого вида – в виде лент, лоскутов, фрагментов на наиболее нагруженных участках. В частности, это узел опирания и центральный растянутый участок балки, а в стропильных деревянных системах – соединения и фиксация арок и ферм к подстропильному брусу (мауэрлату). Оклеивание выполняют на эпоксидных смолах, также содержащих микроволокно углерода.
Шпатлевка с углеволокном
Акриловые окраски, венецианские декоративные штукурки, полимерный пол – все это примеры отличных, эстетичных и модных отделок. Но без армирования в массе многие декоры слишком хрупки и непрочны, поэтому применение углеволокна в качестве фибры, а также закрепление стыков и швов панелей и облицовок под окраску с применением углеволоконного текстиля (ленты, полотна) – идеальное решение. Применяют карбоновые ткани и при финишной отделке, и для выравнивания стен при штукатурке. Отдельная широкая сфера применения — авто-тюнинг и ремонт.
Внешнее армирование углеволокном
Системы внешнего армирования (СВА) применяют для всех видов строительных конструкций и для практически всех стройматериалов (древесина, железобетон, металлы, камень). Цель внешнего усиления при восстановлении и реконструкциях – устранить последствия коррозий и разрушений вследствие природного негатива и долгой эксплуатации. Перспективны СВА и в сейсмостроительстве. Методика внешнего армирования позволяет не изменять структуры и схемы конструкций, по сути это поверхностное усиление суперпрочными углеродными сетками, тканями, ламелями и другими продуктами на основе углеволокна.
При новом строительстве СВА включают обмотку несущего элемента (балка, армопояс, стойка, лента и т.д.) углеродным полотном или толстым ровингом, далее заливают защитный слой из бетона на тонком наполнителе (кварцевый мелкофракционный песок). Один из плюсов метода – практически полное исключение коррозии внутренней стальной арматуры: внешнее усиление и защитный пескобетонный слой заключает элемент в прочную обойму. Но основная цел СВА – усиление прочности и снижение веса строительных конструкций и элементов.
