ugljična vlakna

ugljična vlakna (karbonska vlakna), vlakna koja sadrže najmanje 90% ugljika, vrlo su fina, većinom kružna presjeka, promjera 5 do 10 μm i svojstvene crne boje. Dobivaju se iz već oblikovanih drugih organskih vlakana, pretežito poliakrilonitrilnih vlakana velike čvrstoće, a u manjoj mjeri i od celuloznih viskoznih vlakana, te iz smolastog ostatka nakon pirolize nafte (tzv. mezofazna smola). Neovisno o vrsti ishodišnoga materijala, proces dobivanja provodi se termičkom obradbom u nekoliko stupnjeva (predobradba i karbonizacija). U njem se pod strogo definiranim uvjetima i procesnim parametrima iz početnoga materijala postupno uklanjaju svi kemijski elementi osim ugljika, uz njegovu istodobnu postupnu ciklizaciju. Kod proizvodnje grafitnih vlakana, u završnoj se obradbi ciklička struktura ugljika grafitiranjem oblikuje u grafitnu.

Prema udjelu ugljika te molekulskoj i nadmolekulskoj strukturi razlikuju se anizotropna i izotropna ugljična vlakna. Poznatija su i zastupljenija u uporabi anizotropna ugljična vlakna (zvana još i grafitna vlakna) s grafitnom strukturom ugljika, a udjelom ugljika većim od 95% (u pravilu većim od 99%). Grafitni slojevi oblikuju kristalite fibrilna oblika, koji su usmjereni usporedno s uzdužnom osi vlakna, zbog čega se svojstva vlakana u smjeru osi i smjeru okomitom na os vlakna razlikuju (anizotropija). Grafitna vlakna većinom se proizvode u obliku gotovo neuvijene multifilamentne pređe (tzv. roving), koja sadrži od stotinjak do nekoliko tisuća vrlo finih filamenata (promjera nekoliko mikrometara). Ta se pređa koristi za ojačavanje kompozita, bilo u izvornom obliku ili se za istu namjenu prerađuje u različite dvodimenzionalne i trodimenzionalne strukture.

Izotropna ugljična vlakna sadrže 70 do 90% ugljika, polikristalaste su građe i nemaju prevladavajućega smjera orijentacije strukturnih elemenata (kristalita), pa se ponašaju kao izotropni materijal. Zbog toga mehanička svojstva nisu tako izvrsna kao kod grafitnih vlakana. Izotropna ugljična vlakna pretežito se proizvode kao kratka vlasasta vlakna i dalje prerađuju u netkani tekstil, vrste i oblika ovisnih o namjeni.

Općenito su za ugljična vlakna karakteristična sljedeća svojstva: velika čvrstoća (3000 do 5000 N/mm²) i velik modul elastičnosti (kod grafitnih vlakana 200 000 do 450 000 N/mm²), velika krutost, razmjerno mala gustoća u odnosu na metalne niti (1,5 do 2,2 g/cm³), izvrsna otpornost na toplinu uz istodobnu stabilnost dimenzija (termički raspad u području 3600 do 4000 °C), veoma slaba gorivost, kemijska inertnost, nekorozivnost, otpornost na kiseline, lužine i organska otapala, dobra toplinska i električna vodljivost, nemagnetičnost, vrlo mala apsorpcija rendgenskih zraka, neupijanje vlage i izvrsna biokompatibilnost.

Znatnije proizvodnje i primjene ugljičnih vlakana nije bilo do početka 1960-ih, kada je, ponajprije na poticaj američke zrakoplovne industrije, razvijena proizvodnja vlakana vrhunskih svojstava za različite namjene. Danas se pretežito primjenjuju za tehničke svrhe; grafitna vlakna rabe se u kompozitnim materijalima za izradbu dijelova zrakoplova, svemirskih letjelica, športskih automobila, vrhunskih športskih rekvizita, lopatica vjetrenih turbina i helikoptera i sl. Izotropna ugljična vlakna upotrebljavaju se za namjene u kojima nije bitna velika čvrstoća nego se ponajprije koristi njihova otpornost na visoke temperature, kemijska inertnost i električna vodljivost (zaštitna odjeća za vatrogasce i industrijske radnike, filtri otporni na visoke temperature i kemikalije, tekstil koji se ne nabija statičkim elektricitetom i dr.). Zbog male apsorpcije rendgenskih zraka ugljična vlakna važan su materijal za izradbu aparata za medicinsku dijagnostiku, a zbog biokompatibilnosti važna je njihova primjena za implantate (umjetni ligamenti, zglobovi i sl.).

Posebno su visokovrijednih svojstava vrlo fina monokristalna mikrovlakna (→ visker) te vlakna nanodimenzija, tzv. ugljikove nanocjevčice (omjer je promjera i duljine 1 : 106), koje po strukturi pripadaju posebnoj alotropskoj modifikaciji ugljika s kuglastim molekulama (→ fulereni).

ugljična vlakna. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 19.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=62994>.