PROIECT MATERIA: FIZICA CHIMIA POLIMERILOR

Profesor: Student: Svirlefus Alexandru

Fibra de carbonFibra de carbon este un material ce consta in fibre extrem de subtiri de diametru intre 0.005 - 0.010 mm si compuse in mare parte din atomi de carbon. Atomii de carbon sunt legati intre ei formand cristale microscopice, asezate mai mult sau mai putin paralel cu axa longitudinala a fibrei. Aliniamentul cristalelor face fibra foarte rezistenta raportat la marimea sa. Cateva mii de fibre de carbon sunt rasucite laolalta pentru a forma un fir, care poate fi folosit ca atare sau tesut intr-o tesatura. Fibra de carbon are multe modele de tesatura diferite si poate fi folosita impreuna cu o rasina plastica si asezat ori matritat pentru a forma materiale compozite, cum ar fi plasticul armat cu fibre de carbon (cunoscut ca "fibra de carbon") in scopul de a oferi un material cu un bun raport rezistenta/greutate. Densitatea fibrei de carbon este de asemenea semnificativ mai mica decat densitatea otelului, facand-o ideala pentru aplicatii in care este necesara o greutate redusa. Proprietatile fibrei de carbon, cum ar fi elasticitatea mare, greutatea redusa si coeficientul mic de dilatatie/contractie, o fac foarte des utilizata in aeronautica, inginerie militara/civila si sporturi cu motor, pe langa alte sporturi. Este totusi relativ costisitoare in comparatie cu materiale similare, de exemplu fibra de sticla ori plasticul. Fibra de carbon este foarte rezistenta la alungire si indoire, dar fragila cand este expusa comprimarii ori socurilor puternice (de exemplu, o bara din fibra de carbon este greu de indoit, dar se va rupe cu usurinta la lovirea cu un ciocan).

SCURT ISTORIC

In 1958, Roger Bacon a creat fibre de carbon de inalta performanta la Centrul Tehnic Union Carbide Parma din Ohio. Aceste fibre au fost obtinute prin incalzirea pana la carbonizare a suvitelor de celofibra. Procesul s-a dovedit ineficient, fibrele obtinute continand numai 20% carbon si avand reduse proprietati de rezistenta si rigiditate. La inceputul anilor '60, Dr. Akio Shindo de la Agentia de Stiinta si Tehnologie a Japoniei a dezvoltat un procedeu folosind ca material brut poliacrilonotril. Acesta a dat nastere unei fibre de carbon cu un continut de 55% carbon.

Rezistenta deosebita a fibrei de carbon s-a obtinut in 1963 intr-un procedeu dezvoltat la Royal Aircraft Establishment din Farnborough, Hampshire. Procedeul a fost omologat (autorizat, patentat) de Ministerul Apararii din Regatul Unit, apoi s-a acordat licenta catre trei companii britanice: Rolls Royce, care deja producea fibra de carbon, Morganite si Courtaulds.

Acestea au construit uzine de productie fibra de carbon in cativa ani, iar Rolls Royce a profitat de proprietatile noului material pentru a patrunde pe piata americana cu motorul sau aeronautic RB-211.

Chiar si la acele vremuri insa, opinia publica era sceptica in privinta capacitatii industriei britanice de a profita de pe urma acestei brese. In 1959 o comisie de ancheta aleasa din Camera Comunelor a intrebat profetic: "Cum va putea natiunea sa profite la maximum fara ca ea (fibra de carbon) sa devina o alta inventie britanica exploatata mai mult peste ocean?". In cele din urma, aceste ingrijorari s-au adeverit. Una cate una, licentele pentru fabricarea fibrei de carbon au fost retrase. Rolls Royce era interesat doar de motoristica aeronautica de exceptie. Propria sa productie avea sa-l faca lider in folosirea plasticului armat cu fibra de carbon. Productia proprie urma sa inceteze odata cu aparitia unor noi surse comerciale.

Din pacate insa, Rolls Royce a impins progresul prea departe, prea repede, folosind fibra de carbon la palele compresorului motorului, ceea ce s-a dovedit vulnerabil la impactul cu pasarile. Ceea ce parea un mare triumf tehnologic al Marii Britanii in 1968 a devenit un dezastru si programul ambitios al Rolls Royce pentru motorul RB-211 a fost pus in pericol. Problema RR a luat atat de mare amploare incat compania a fost pana la urma nationalizata de guvernul conservator al lui Edward Heath in 1971, iar fabrica de fibra de carbon a fost vanduta, devenind Bristol Composites.

Data fiind piata restransa pentru un produs foarte scump de calitate variabila, si Morganite a hotarat ca productia sa de fibra de carbon era periferica fata de activitatea sa de baza, Courtaulds ramanand singurul mare producator din UK.

Compania a continuat sa fabrice fibra de carbon, dezvoltand doua ramuri principale: aeronautica si echipamente sportive.

Au urmat imbunatatiri ale calitatii produselor si vitezei de productie.Continuarea colaborarii cu echipa de la Farnborough s-a dovedit de ajutor in sporirea calitatii, dar, ironic, marele avantaj al Courtaulds ca producator al precursorului "Courtelle" devenise acum o slabiciune. Costurile scazute si disponibilitatea erau potentiale avantaje, dar procesul anorganic pe baza de apa pentru productia Courtelle o facea vulnerabila la impuritati, care nu afectau procesul organic practicat de alti producatori de fibra de carbon.

Chiar si asa, in anii '80 Courtaulds a continuat sa ramana un mare fabricant de fibra de carbon pentru ramurile sport/diverse, Mitsubishi fiind principalul client. Insa o miscare de expansiune, inclusiv deschiderea unei fabrici in California, s-a dovedit a fi gresita. Investitia nu a generat castigurile scontate, ceea ce a dus la decizia de retragere din zona. Courtaulds a incetat productia de fibra de carbon in 1991. In mod ironic, singurul fabricant de fibra de carbon ce a supravietuit in UK a prosperat folosind reteta Courtaulds. In mod invectiv, RK Carbon Fibres Ltd s-a concentrat pe productia de fibra de carbon pentru aplicatii industriale, neavand nevoie sa ridice standardele de calitate la nivelul producatorilor de peste ocean.

In anii '70, experimentele pentru gasirea materialelor brute alternative au condus la introducerea fibrelor de carbon facute din smoala de petrol obtinuta din procesarea petrolului. Aceste fibre contineau aproximativ 85% carbon si aveau o flexibilitate excelenta.

Structura atomica a fibrei de carbon este similara cu cea a grafitului, constand in straturi de atomi de carbon dispuse in forma de hexagon regulat. Diferenta consta in modul in care aceste straturi se unesc. Grafitul este un material cristalin in care straturile sunt asezate in paralel in mod normal. Fortele intermoleculare dintre straturi sunt forte Van der Waals relativ slabe, conferindu-i grafitului proprietatile sale de a fi moale si fragil. Depinzand de precursorii folositi in fabricarea fibrei, fibra de carbon poate fi turbostratica (1) sau grafitica ori poate avea o structura hibrid cu ambele tipuri de asezare a straturilor. In fibra de carbon turbostratica, straturile de atomi de carbon sunt cutate haotic sau incretite laolalta. Fibrele de carbon derivate din poliacrilonitril sunt turbostratice, pe cand fibrele derivate din pacura sunt grafitice dupa tratament termic la temperaturi ce depasesc 2200 grade Celsius. Fibrele de carbon turbostratice tind sa aiba elasticitate superioara, in timp ce fibrele derivate din pacura, tratate termic, au "modulul lui Young" ridicat si o conductivitate termica sporita.

APLICATII

Fibra de carbon este cel mai des folosita pentru a intari materiale compozite, in special clasa de materiale cunoscuta ca "fibra de carbon" sau "polimeri ranforsati cu grafit". Si materialele non-polimer pot fi folosite ca tipar pentru fibra de carbon. Datorita formarii de carbid metalic si din motive de coroziune, carbonul nu a avut succes in combinatie cu tipare de metal. Carbonul ranforsat cu carbon (CRC) consta in grafit ranforsat cu fibre de carbon si de obicei e folosit structural in aplicatii de inalta temperatura. Fibra este de asemenea utila in filtrarea gazelor de mare temperatura, ca electrod cu suprafata mare si rezistenta ridicata la coroziune, dar si ca o componenta antistatica. Folosirea unui strat subtire de fibre de carbon imbunatateste semnificativ rezistenta la foc a polimerilor si a compusilor termostabili deoarece un strat dens, compact de fibre de carbon reflecta caldura.

SINTEZA

Fiecare filament de carbon este realizat dintr-un polimer precursor. Polimerul precursor este in mod normal viscoza, poliacrilonitrilul sau pacura de petrol. Pentru primii doi, precursorul este mai intai rasucit in filamente, folosind procese chimice si mecanice pentru alinierea atomilor polimerului intr-un mod care sa imbunatateasca proprietatile fizice finale ale fibrei de carbon. Compozitia precursorilor si procesele mecanice folosite in timpul rasucirii pot fi diferite de la un fabricant la altul. Dupa tragere sau rasucire, fibrele de polimer sunt incalzite pentru a elimina atomii non-carbon (carbonizare), rezultand fibra de carbon. Fibrele de carbon pot fi tratate ulterior pentru a imbunatati calitatile acestora, apoi infasurate in bobine. Bobinele infasurate sunt apoi folosite pentru a alimenta masinile care produc filoane sau fir tors din fibre de carbon.

O metoda obisnuita de fabricatie implica incalzirea filamentelor rasucite de poliacrilonitril la aproximativ 300 grade Celsius in aer, ceea ce distruge o parte din formatiunile de hidrogen si oxideaza materialul. Poliacrilonitrilul este apoi asezat intr-un cuptor avand o atmosfera inerta dintr-un gaz precum argonul, este incalzit la aproximativ 2000 grade Celsius, ceea ce induce o grafitizare a materialului, schimbandu-i structura moleculara. Prin incalzire in conditii optime, aceste lanturi se leaga unul de celalalt (polimeri-"scara"), formand straturi care ulterior se unesc si formeaza un singur filament in forma de coloana. Rezultatul este de obicei carbon 93-95%. Fibra de calitate mai slaba poate fi obtinuta folosind pacura ori viscoza ca precursor in locul poliacrilonitrilului. Carbonul poate fi imbunatatit ulterior prin tratamente termice. Carbonul incalzit la 1500-2000 grade Celsius (carbonizare) prezinta cea mai mare rezistenta elastica, in timp ce fibra de carbon incalzita la 2500-3000 grade Celsius prezinta un modul al elasticitatii mai ridicat.

TEXTILE

Precursorii pentru fibrele de carbon sunt poliacrilonitrilul, viscoza si pacura. Filoanele din fibre de carbon sunt folosite in cateva tehnici de procesare: utilizarile directe sunt pentru preimpregnare, tesaturi din filament, impletire etc. Filonul de fibra de carbon este clasificat dupa densitatea lineara (masa pe unitate de lungime, ex.: 1g/1000m = 1 tex) sau dupa numarul de filamente pe filon, in mii. De exemplu, 200 tex la 3000 filamente de fibra de carbon sunt de 3 ori mai rezistente decat 1000 filamente, dar si de 3 ori mai grele. Acest filon poate fi apoi folosit pentru a tese o tesatura din fibra de carbon. Aspectul acestei tesaturi depinde in general de densitatea lineara a filonului si de modelul de tesatura ales. Cele mai comune modele de tesatura sunt "diagonal", "satin" si "uni" (simpla).`