Karbon lifleri
  • Karbon lifleri

    Karbon liflerinin ilk kullanımı 1879’da Edison’un lambalarda karbon filamentleri kullanmak için patent almasına rastlar. Fakat gerçek anlamda ilk kullanım 1950’lerin sonudur. Uçak ve uzay endüstrisinin ihtiyaçları bunda en önemli etken olmuştur. İlk başarılı ticari uygulama İngiltere Farnborough’da Kraliyet Havacılık Kurumu’nda (Royal Aircraft Establishment) William Watt ve ekibi tarafından gerçekleştirilmiştir.

    1960’ların başından itibaren karbon liflerinin gerçek tarihi başlamıştır ve karbon lifi ile kompozitlerinin kullanımı yüksek performanslarına bağlı olarak giderek artmıştır.

    Karbon ve grafit yapılarının her ikisi de ana yapıtaşı olarak karbon elementinden oluşmuştur. Tekstil tanımına göre karbon lifi yapısında en az %90 oranında karbon ihtiva eden liftir. Öncü (precursor) diye tabir edilen çok çeşitli hammaddelerin değişik şekillerde işlenmesi ile değişik morfoloji ve özelliklerde karbon lifleri üretilir.

    Bir öncü maddeden beklenen, karbon lifi yapısına dönüşümün kolayca sağlanabilmesi açısından, ihtiva ettiği karbon elementi miktarının mümkün olduğunca fazla olmasıdır. Karbon liflerinin üretim şekilleri, yapısı, özellikleri ve son kullanımlarında öncü malzemeler çok önemli bir etkendir.

    Karbon Liflerinin Sınıflandırılması

    Modüle Göre:

    • Ultra yüksek modüllü tip (UHM): Modülü 500 Gpa üzeri olan karbon lifleridir. Union Carbide firmasının P120 tipi (820 Gpa) buna bir örnektir. Bu lif mezfaz – pitch bazlıdır.
    • Yüksek modüllü tip (HM): Modülü 300 – 500 Gpa arası olup mukavemet / modül oranı 5 – 7 10-3 civarı olan karbon lifleri bu gruba girer. Toray’ın PAN bazlı M50 modeli (500 Gpa) bu gruba iyi bir örnektir.
    • Orta Modüllü (IM): Modülü 300 Gpa’ya kadar olup mukavemet / modül oranı 10-2 civarı olan karbon lifleri bu gruba girer. Örnek olarak Toray’ın PAN bazlı M30 modeli (294 Gpa) gösterilebilir.
    • Düşük Modüllü (LM): Modülü 100 Gpa’dan düşük olan karbon lifleri bu gruba girer. Isotropik bir yapısı olan bu liflerin genelde düşük mukavemet özellikleri vardır.

    Mukavemete Göre:

    • Ultra Yüksek Mukavemetli (UHS): Mukavemeti 5 Gpa’dan yüksek olup mukavemet / sertlik oranı 2 – 3.10-2 olan karbon lifleri bu gruba girer. Örnek olarak Toray’ın PAN bazlı T1000 modeli (7.06 Gpa) gösterilebilir.
    • Yüksek Mukavemetli (HS): Mukavemeti 3 Gpa’dan yüksek olup mukavemet / sertlik oranı 1.5 – 2.10-2 olan karbon lifleri bu gruba girer. Hercules’in PAN bazlı AS-6 modeli (4.14 Gpa) bu gruba bir örnektir.

    Son Isıl İşlemlerine Göre:

    • Son işlem sıcaklığı 2000 OC üzeri olan karbon lifleri: Bu gruba yüksek modüllü tipler girer.
    • Son işlem sıcaklığı 1500 OC civarı olan karbon lifleri: Bu gruba yüksek mukavemetli tipler girer.
    • Son işlem sıcaklığı 1000 OC’ye kadar olan karbon lifleri: Bu gruba düşük modüllü ve mukavemetli tipler girer.

    Karbon liflerinin üretiminde en önemli öncü materyaller Polyakrilonitril (PAN), selülozik lifler (viskoz – rayon, pamuk) ve zift gibi yapılardır. 1960’tan 1980’e kadar A.B.D.’de karbon liflerinin öncülere bağlı olarak değişik üretim olanakları konusunda çok çeşitli patentler alınmıştır. Üretim şekillerini aşağıda anlatıldığı üzere öncü lif tipine göre ayırmak en uygunudur.

    PAN Bazlı Karbon Liflerinin Üretimi

    Bugünün yüksek teknoloji karbon lifleri, istenen molekül oryantasyon ve kristalliğine sahip, genelde nitrojen de ihtiva eden aromatik polimerlerdir. PAN bazlı karbon lifleri diğer öncülere göre çok daha fazla ticari ilgi görmüştür. PAN’dan karbon lifi üretiminde ana üç basamak bulunmaktadır.

    • 200 – 300 OC’de oksidatif stabilizasyon.
    • 1000 OC’de karbonizasyon (1500 OC’ye kadar çıkabilir.
    • Lif tipine bağlı olarak 1500 – 3000 OC arası grafitizassyon.

    PAN öncüsü ilk safhada gergin bir şekilde tutularak 200 – 300 OC’de oksidasyona uğrar. Bu işlem PAN’ı plastik olmayan halkasal bir bileşiğe dönüştürür. Watt ve Johnson bu işlem için 150 – 400 OC aralığını tavsiye etmiştir. Bu yapının oluşması iki basamakta gerçekleşmektedir. Bu basamaklar halkasallaşma ve dehidrojenasyon’dur.

    Bu iki basamak sırasında sıcaklık da kademeli olarak arttırılır. Stabilizasyonun tamamlanması için birkaç saat beklenmesi tavsiye edilir. Lifin gergin tutulmasının sebebi oksidasyon sırasında lifin gevşemesini ve oryantasyonunu kaybetmesini önlemektir. Germe sırasındaki uzama miktarı üretim şekline göre değişebilir.

    Yeni bir patent PAN öncülerinin hızlı stabilizasyonunu savunmaktadır. Bu patentte ilk safha materyalden maksimum plastikliğin elde edildiği sıcaklıkta gerçekleşmektedir (çekim %10 – 50). İkinci safha 0.01 – 0.2 g/denye gerginlikte 200 – 300 OC sıcaklıkta gerçekleşmektedir. Toplam işlem süresi 15 – 60 dakikadır (oksijen atmosferi içerisinde geçen süre).

    Oksidadif proses ile lifler yüksek sıcaklıklardaki işlemlere dayanım kazanırlar. Oksidasyon sonrası lifler 1000 OC’nin üzerindeki sıcaklıklarda gergisiz olarak karbonize edilirler. Karbonize işlemi sırasında karbon dışı yapılar (CHN, NH3, H2) uzaklaştırılırlar ve başlangıçtaki PAN’ın yaklaşık yarı ağırlığında bir yapı elde edilir.

     

    teknik10

     

    Karbonizasyon iki safhadan oluşur. 400 – 600 OC arasında denitrojenasyon işlemi yapılır ve 700 OC’de nitrojen eleminasyonu devam eder ve 900 OC’de maksimum düzeyine ulaşır. 1300 OC’de lif içerisindeki nitrojen minimum düzeydedir.

    Karbonizasyon sonrası elde edilen lifler karbon dışı yapılardan hemen hemen arınmıştır ve grafite benzer bir yapı oluşmuştur. 2500 OC’nin üzerindeki ısıl işlemler ile (grafitizasyon) oryantasyon ve kristallik lif ekseni yönünde arttırılır.

    Rayon Bazlı Karbon Liflerinin Üretimi

    Rayondan karbon lifi üretiminde üç basamak vardır.

    • Stabilizasyon (25 – 400 OC)
    • Karbonizasyon (400 – 700 OC)
    • Grafitizasyon (700 – 2700 OC)

    Stabilizasyon temelde bir oksidasyon prosesidir ve yine üç basamaktan oluşur.

    • Suyun fiziksel dışa atımı (25 – 150 OC)
    • Selülozik yapının dehidrasyonu (150 – 240 OC)
    • Dairesel bağların temel kopuşu, eter C – O bağlarının yerine C – C bağlarının oluşması ve aromatizasyon (240 – 400 OC)

    Mezofaz Zift Bazlı Karbon Liflerin Üretimi

    Eğer bir hidrokarbon karışımının termodinamik yapısı biliniyorsa çeşitli karbon lifi üretme imkanları da olabilir. Ziftin bazı komponentlerinden karbon lifi üretilmesi de bu mantık çerçevesinde gerçekleşmektedir. Ziftin uygun çözücü sistem ile karbon lifi üretimine hazır hale getirilmesi mümkündür. Yüksek molekül ağırlıklı aromatik ziftlerin genelde doğal yapıları anizotropiktir. Bunlara mezofaz denir. Çekim sonrası mezofaz moleküller oryante edilip lif eksenine paralel hale getirilir ve termodinamik olarak sağlam bir yapı elde edilir. Gerçek dönüşümden önce zift çekime uğrayacak lif haline gelir. Bu üretimin genel işlemleri sırası ile aşağıdaki gibidir.

    • Ticari zift => Mezofaza polimerizasyon
    • Eriyikten çekim
    • Hava ortamı içinde stabilizasyon
    • Karbonizasyon
    • Grafitizasyon

    Zift öncüsü 350 OC’de ısıl işlem ile mezofaz zifte dönüşür. Bu yapı hem izotropik hem de anizotropik yapıları içerir. Çekim sonrası izotropik bölüm yumuşama noktasından daha düşük bir sıcaklıkta enjekte edilebilecek duruma gelir. Bundan sonra lif 1000 OC’de karbonizasyona uğrar. Bu metodun avantajı stabilizasyon ve grafitizasyon safhalarında herhangi bir germe işlemine gerek olmamasıdır.

    Karbon lifinin yapısı X ışını ve elektron mikroskobu yöntemleri ile ortaya çıkarılmıştır. Grafitin aksine karbon lifinin üç boyutlu düzenli bir yapısı yoktur. Genel olarak PAN lifinin mukavemetinin yüksek olması, üretilecek olan karbon lifinin de mukavemetli olması anlamına gelir. PAN öncüsünün mukavemeti oksidasyon işleminin ilk safhasında ciddi biçimde düşer uzama oranı ilk önce artar sonra azalır. Karbonizasyon sırasında ısıl işlem sıcaklığının artışı ile oryantasyon ciddi bir biçimde artar. Karbonizasyon sonrası lifin Young Modülü’nde de ciddi bir artış olur. Mukavemet özelliklerinde lifin kabuk ve kor yapılarının da çok etkisi vardır. Eğer orta şiddette bir stabilizasyon uygulandı ise gerilim altında karbonizasyon ile modül ve mukavemet ciddi bir biçimde artar. Yüksek modüllü bir lifte kristaller lif yönünde katmanlar halinde yerleşmiş olmalıdır.

    Karbon lifinin genel kullanım alanları aşağıdaki gibidir.

    • Uçak ve uzay endüstrisi
    • Otomotiv
    • Spor ekipmanları
    • Gemicilik
    • Genel mühendislik uygulamaları

    Karbon liflerinin uçak ve uzay endüstrisinde kulanılmalarının ana sebepleri aşağıdaki gibidir.

    • Ağırlık göz önüne alındığında karbon liflerinin özgül mukavemetleri metallerden yaklaşık yedi kat fazla, kopma mukavemetleri ise yaklaşık 5 kat fazladır.
    • Sıcaklıkla genleşme eğilimleri çok düşüktür.
    • Çelik ve alüminyumdan daha iyi bir yorulma dayanımı bulunmaktadır.
    • Performans / maliyet oranı yönünden oldukça avantajlıdırlar.

    Uygun bir mukavemet ve sertlik verildiğinde karbon lifleri uzay ve uçak endüstrisi için vazgeçilmez bir materyal olmaktadır. Karbon lifleri ile yapılan parçalar ikame diğer metallerden yapılan parçalardan yaklaşık %30 daha hafiftir.

    Karbon liflerinin en büyük avantajları sertlikleri ve genleşmeme eğilimleridir. Ayrıca karbon lifi kompozitleri çok iyi ısı yalıtımı elemanları olarak kullanılabilmektedir. Bu tip uygulamalara bir örnek uçakların ve uzay mekiklerinin ateşleme bölümlerinin izolasyonudur.

    Spor endüstrisinde de karbon liflerinin tenis raketi, hokey sopaları, kayaklar, oltalar, yarış arabaları, bisikletler, yarış motorları gibi çok çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır. Bu uygulamalardaki en büyük kazanım mukavemet ve hafifliktir.

    Karbon liflerinin kimyasal dayanımı da iyi seviyededir. Bu life iyi bir korozyon dayanımı verir. Bu yüzden karbon liflerinden kimyasal ve yakıt tankları yapımında da yararlanılmaktadır.

    Karbon liflerinin biyolojik uygunluğu tüm diğer materyallerden daha iyidir. Karbon lifleri yumuşak dokular, kan ve kemik ile oldukça uyumludur. Bu yüzden karbon kompozitleri protez ve kemik nakillerinde kullanılır.

    Yazan Pazartesi, 06 Nisan 2020 12:11 in Tekstil Lifleri Okunma 109 defa