Τι είναι οι ίνες άνθρακα;
Οι ίνες άνθρακα είναι μονάδες άνθρακα μακράς αλυσίδας που μοιάζουν με γραφίτη και έχουν δικτυωμένη δομή. Οι μακράς αλυσίδας δικτυωμένες μονάδες άνθρακα εμφανίζονται λόγω της ιδιότητας κατένωσης των ατόμων άνθρακα, δηλαδή της σύνδεσης ατόμων ενός παρόμοιου στοιχείου.
Ο Thomas Elva Edison πιστώνεται ότι δημιούργησε το πρώτο νήμα άνθρακα για δοκιμή στο ηλεκτρικό νήμα του λαμπτήρα χρησιμοποιώντας φυσικό βαμβάκι.
Οι πρόδρομες ουσίες είναι τα ακατέργαστα στοιχεία που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ινών άνθρακα.
Πώς κατασκευάζονται οι ίνες άνθρακα;
Οι περισσότερες ίνες άνθρακα κατασκευάζονται από μια διαδικασία που ονομάζεται πολυακρυλονιτρίλιο ή PAN. Στη διαδικασία, ένα φύλλο ινών εκτίθεται σε τόσο υψηλή θερμότητα που σχεδόν τα πάντα εκτός από τον ίδιο τον άνθρακα καίγονται.
Βήματα για την κατασκευή κανονικών ινών άνθρακα:
1: Πολυμερισμός: Για την κατασκευή ενός πολυμερούς μακράς αλυσίδας, ο πρόδρομος πολυμερίζεται.
2: Νηματοποίηση: Μετά από αυτό, το πολυμερές περιστρέφεται σε μακριές ίνες. Συνήθως χρησιμοποιούνται χημικές και μηχανικές διαδικασίες.
3: Οξειδωτικό: Η ίνα σταθεροποιείται με θέρμανση στον αέρα. Απορροφά το οξυγόνο από τον αέρα και υφίσταται μια εξελιγμένη διαδικασία ατομικής αναδιάταξης για τη σταθεροποίηση της ίνας.
4: Ενανθράκωση: Ελλείψει οξυγόνου, η επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία της οξειδωμένης και σταθεροποιημένης ίνας βοηθά στην απώλεια ατόμων χωρίς άνθρακα, με αποτέλεσμα μια σφιχτά συσκευασμένη ίνα άνθρακα.
5: Επεξεργασία επιφάνειας: Οι ανθρακούχες ίνες έχουν κακές δυνατότητες συγκόλλησης, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη συγχώνευσή τους με εποξειδικές ρητίνες για την παραγωγή ενός σύνθετου υλικού. Για να αποκτηθεί αυτή η συνδετική ικανότητα, η επιφάνεια επεξεργάζεται με τα κατάλληλα χημικά.
6: Διαστάσεις: Για προστασία, οι ίνες είναι επικαλυμμένες με εποξειδικό, νάιλον, πολυεστέρα και άλλα υλικά. Αυτό αναφέρεται ως μέγεθος.
Το ακατέργαστο φύλλο από ανθρακονήματα στη συνέχεια συγχωνεύεται μαζί με άλλα μέταλλα (ένα σημαντικό μέρος της κατανόησης της αγωγιμότητας των ινών άνθρακα) και η προκύπτουσα ένωση επεξεργάζεται και διαστασιολογείται χρησιμοποιώντας χημικές διεργασίες.
Η διαδικασία είναι σε βάθος και, ως εκ τούτου, δαπανηρή.
ΣΧΕΤΙΚΑ: 5 διασκεδαστικές χρήσεις για φύλλα από ανθρακονήματα
Είναι οι ίνες άνθρακα από μόνες τους αγώγιμες;
Όχι, οι ίνες άνθρακα δεν είναι πολύ αγώγιμες όταν δεν συνδυάζονται με τίποτα άλλο, ούτε από άποψη θερμικής ούτε ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
Όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα (την ικανότητα μεταφοράς θερμότητας), η ίνα άνθρακα είναι μέτρια. Οι σχετικά υψηλής ποιότητας ίνες άνθρακα έχουν περίπου τόση θερμική αγωγιμότητα με το πυρίτιο, ενώ ακόμη και οι κορυφαίες ίνες άνθρακα έχουν μικρότερη αγωγιμότητα από το αλουμίνιο.
Η απλή παλιά ίνα άνθρακα είναι λίγο καλύτερη όσον αφορά την ηλεκτρική αγωγιμότητα, αν και εξακολουθεί να μην είναι τόσο αγώγιμη όσο τα περισσότερα μέταλλα. Όταν χρησιμοποιείται ως ηλεκτρικός αγωγός, είναι καλύτερο να τροποποιήσετε την ίνα άνθρακα πλένοντάς την μαζί με άλλα μέταλλα ή δημιουργώντας ένα πιο ηλεκτρικά αγώγιμο αλλοτρόπιο άνθρακα όπως το διαμάντι ή ο γραφίτης.
Πώς μπορούμε να κάνουμε τις ίνες άνθρακα πιο αγώγιμες;
Για να αυξηθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η ίνα άνθρακα θα πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία με άλλα υλικά μόλις απομονωθεί. Οι καλύτερες ενώσεις για συνδυασμό με ανθρακονήματα προκειμένου να αυξηθεί η αγωγιμότητα είναι το λατέξ για ιοντική αγωγιμότητα (μέσω ενός υγρού) και ο καπνός πυριτίας για ηλεκτρονική αγωγιμότητα (μέσω ενός στερεού).
Υπάρχουν αλλότροπα άνθρακα που μεταφέρουν τη θερμότητα πολύ καλύτερα από το διαμάντι από ίνα άνθρακα --, συγκεκριμένα, μεταφέρει τη θερμότητα έως και 100 φορές πιο αποτελεσματικά από τις απλές ίνες άνθρακα. Η δημιουργία αυτών των αλλοτροπών δεν είναι καθόλου εύκολη, αλλά υπάρχουν διαδικασίες που περιλαμβάνουν πίεση, θερμότητα και άλλες χημικές αντιδράσεις που καθιστούν δυνατούς τους μετασχηματισμούς. Εάν η ίνα άνθρακα υποβληθεί σε επεξεργασία με αυτά τα αλλότροπα άνθρακα όταν είναι έτοιμα, η θερμική αγωγιμότητα της ίνας άνθρακα μπορεί να πολλαπλασιαστεί.
Λοιπόν, είναι αγώγιμες οι ίνες άνθρακα; Όχι τόσο στη βασική του κατάσταση, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει εύκολα με λίγη επιστήμη.
ΣΧΕΤΙΚΟ: Σε τι χρησιμοποιείται το περιτύλιγμα από ανθρακονήματα;
Είναι οι ίνες άνθρακα αγώγιμες σε σύγκριση με το μέταλλο;
Όχι από μόνο του, όχι. Όταν υποβάλλεται σε επεξεργασία με άλλα μέταλλα, όμως, είναι.
Από μόνες τους, οι ίνες άνθρακα δεν είναι μεγάλος αγωγός του ηλεκτρισμού σε σύγκριση με το μέταλλο. Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα μέταλλα μεταφέρουν ηλεκτρισμό περίπου 1000x, όπως και οι απλές ίνες άνθρακα. Ακόμη και όταν υποβάλλεται σε επεξεργασία με άλλα υλικά, οι ίνες άνθρακα δεν είναι τόσο καλές όσο το μέταλλο όσον αφορά την αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού. Μέταλλα όπως ο άργυρος, το αλουμίνιο και ο χαλκός είναι ιδιαίτερα καλά στην αγωγή του ηλεκτρισμού, εξακολουθούν να είναι περίπου 100 φορές τόσο γρήγορα όσο οι ίνες άνθρακα που έχουν υποστεί επεξεργασία με καλούς αγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας.
Η μεταφορά θερμικής ενέργειας είναι μια διαφορετική ιστορία. Όταν κατασκευάζονται καλά και αντιμετωπίζονται σωστά, οι ίνες άνθρακα είναι στην πραγματικότητα πιο αγώγιμες στη θερμότητα από ένα μέταλλο υψηλής αγωγιμότητας όπως ο χαλκός.
Ποιες είναι οι χρήσεις των αγώγιμων ινών άνθρακα;
Οι επεξεργασμένες ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται σε είδη πολυτελείας όπως κράνη και αποσκευές που επωφελούνται από το ότι είναι ελαφρύ και ανθεκτικό. Αλλά η αγωγιμότητα των ανθρακονημάτων λάμπει σε πιο βιομηχανικές χρήσεις, όπως η επένδυση κοντέινερ σε έργα μηχανικής και αεροδιαστημικής.
Η επιστήμη εξακολουθεί να εργάζεται για τη βελτίωση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των ινών άνθρακα. Λόγω της εξαιρετικής αντοχής, της αντοχής στη θερμότητα, του ελαφρού βάρους και του μικρού μεγέθους του σε σύγκριση με πράγματα όπως μεταλλικά σύρματα, αναμένεται ότι τα προϊόντα από ανθρακονήματα θα χρησιμοποιούνται πολύ περισσότερο ως αγωγοί στο μέλλον.
Οι ίνες άνθρακα έχουν πολλές εκπληκτικές ιδιότητες. Ένα από αυτά είναι οι εκπληκτικές του ικανότητες ως θερμικός ή ηλεκτρικός αγωγός όταν επεξεργάζεται με άλλα μεταλλικά σύνθετα υλικά.
