KARBON LİFLERİ ÇEŞİTLERİ

Karbon Lifleri

Karbon lifleri bileşiminde içerik açısından en az %92 ve üzerinde karbon içeren liflere denir. Diğer bir tanımlamaya göre lifler arasında yapılan tarihsel ayrıma göre 1000-1500 º C aralığının üzerinde ısıl işlemle üretilen liflere karbon lifleri denir. 2000º C üzerinde işlenmiş liflere grafit lifleri denir.

Karbon lifleri arasında grafit %0 ile %100 oranında bulunabilir. %99 ve üzerinde grafit bulunan liflere grafit lifleri adı verilir. Karbon lifleri kristalin, amorf ve kısmen kristalin yapıda bulunabilir. Karbon lifleri üretimi organik temelli liflerin ısıtılması sonucu karbon dışındaki atomların uzaklaşması ile karbon atomlarından oluşmuş filamentler elde edilmektedir. Bu filamentlerin kristalizasyonundan yüksek mukavemetli lifler elde edilir.

Karbon lifleri ticari olarak filament ya da kesik elyaf halinde bulunabilir. Filament halinde üretildikten sonra kesik elyaf haline getirilmektedir. Karbon elyaf ipliği (tow) ticari anlamda numaralandırılırken içinde barındırdığı filament sayısı miktarına göre demetler halinde ifade edilir. Her 1000 adet lif demeti için K harfi kullanılır. 1000 filament ile 200000 filament barındıran elyaf demetleri karbon ipliği (tow) olarak üretilir. Her 1000 için 1 K kullanıldığından 1K ile 200 K arasında iplikler üretilir. Tekstil hesaplaması açısından aşağıdaki şekilde tex cinsinden en çok kullanılan ve ticari işlem yapılan iplikler belirtilmiştir.

Karbon elyaf 1,6-2,2 gr/cm³ yoğunluğa sahip bir lif türüdür. Üretiminde organik malzemeler kullanılır. Kullanılan malzemelerin yoğunluğu 1,14-1,19 gr/cm³ arasındadır.

Karbon lifleri yapısı itibariyle özel uygulamalarda rol almaktadırlar. Havacılık, otomotiv, kimya endüstrisi, genel mühendislik, uzay sanayi, nükleer enerji, bina inşaat endüstrisi ve kompozit uygulamaları alanlarında kullanılmaktadır. Yüksek mukavemet, yüksek elastite modüllü yapısı, boyutsal kararlılık, yorulma direnci, biyolojik uyumluluk ve düşük termal genişleme katsayısı vardır. Elektriksel iletkenliğe sahiptir. X-ray geçirgenliği vardır. Korozyon ve kimyasal direnci yüksektir. Elektromanyetik özelliğe sahiptir.

Karbon Lifleri Çeşitleri

Karbon liflerinin özelliklerini üretim aşamasında kullanılan hammadde olan öncül lif (precursor), üretim aşamaları ve işlem sıcaklığı belirler.

Karbon lifleri üretim aşamaları temelde stabilizasyon, karbonizasyon ve grafitizasyon olmak üzere 3 aşamadan oluşur. Grafitizasyon aşaması zorunlu bir aşama değildir. Karbon elyaflar performanslarına göre modüllerine ve mukavemetlerine göre, son işlem sıcaklıklarına göre belirli sınıflara ayrılır. Karbon elyafı son işlem sıcaklığına göre lif yapısı ve kristalit oryantasyonuna göre 3 kategoride sınıflandırılır. Tablo 2.1’de son işlem sıcaklığına göre sınıflandırma gösterilmektedir.

Modüllerine göre karbon lifleri 4 grupta değerlendirilir.

Karbon lifleri hammaddesi olan ön işlem liflerine göre üç temel çeşitte sınıflandırılır.

• Rayon temelli karbon lifleri
• Katran/Zift temelli karbon lifleri
• PAN (poliakrilonitril) temelli karbon lifleri

Karbon liflerinin lif verimleri öncül lif türlerine göre karbon lif elde edilen Tablo 2.3’te gösterilmiştir.

Rayon Temelli Karbon Lifleri

Rayon lifleri selülozik yapı barındıran bir liftir. Önceleri pamuk lifinden karbonizasyon işlemi yapılmaya çalışmıştır. 1960’lı yıllarda viskoz rayondan karbon lifi üretilmiştir. Rayondan karbon lifi üretimi oksidasyon, karbonizasyon ve grafitizasyon olmak üzere üç aşamada gerçekleşir. Oksidasyon aşamasında 25-150 ºC’de su fiziki olarak uzaklaştırılır. 150-240 ºC de selüloz yapı taşında bulunan H2O molekülleri uzaklaştırılırken, 240-400 ºC’de C-O bağları kopar ve C-C bağları koparak aromatizasyon gerçekleşir.

Zift Temelli Karbon Lifleri

Zift bazlı karbon lifleri temeli petrol asfaltı ve kömür katranıdır. Daha ekonomiktir. Grafit yapısına benzediğinden grafit eldesin de daha az enerji ile grafit elde edilebilir. Karbon miktarı daha fazla olduğunda birim miktarda zift ve katrandan PAN liflerine göre daha fazla karbon lifi elde edilir. Katran ziftten karbon lifi üretiminde öncelikle eriyik elde edilip lif çekimi gerçekleşir. Şekil 2.5’te lif çekimi ve karbon lifi üretim proses şeması gösterilmiştir.

Katran ve zift temelli ham maddeler karbon elyaf üretimi yapılırken oksidasyon işlemi sırasında liflerin eriyebilir özelliğini gidermek için yavaş yavaş sıcaklık artışı sağlanır. Bu sırada sülfonlama işlemi yapılır. Sülfonlama işlemi ve oksidasyon işlemi 250 ºC ile 300 ºC arasında gerçekleştirilir. Oksidasyon sonrası inert ortamda karbonizasyon 1000 ºC civarında gerçekleşir. CH4 ve H2 gibi gazlar açığa çıkar.

Grafitizasyon işleminin sonucunda PAN lifleri gibi yüzey işlemeleri ve diğer haşıl işlemleri yapılmaktadır. Zift kökenli karbon liflerinin en önemli özelliği yüksek modüle sahip olmasıdır. Bu nedenle uzay ve havacılık gibi kritik yerlerde kullanılabilmektedir.

PAN Temelli Karbon Lifleri

Günümüzde karbon liflerinin %90’nın poliakrilonitril öncül liflerden üretilmektedir. PAN lifleri elde edilirken 180-300ºC arasında oksidasyon işlemi ile yapılmaktadır. Burada temel amaç daha sonraki aşamada liflerin erimesini önlemektir. Oksidasyon sırasında liflerin büzülmesini önlemek amacıyla lifler belirli bir gerilim altında tutulurlar. Beyaz olan PAN lifleri işlem sırasında renk değiştirerek kararır. Sıcaklık 1000-1500 ºC arasında karbonizasyon işlemi gerçekleşmektedir. Karbonizasyon işlemi inert (N2) bir ortamda gerçekleşir. 1500-3000 ºC arasında grafitizasyon gerçeklemektedir.

Şekil 2.8: Pan lifi oksidasyon işlemi sırasında a) Ham PAN öncülü, (b) kimyasal ön işlem sonrası PAN,(c-d) stabilize olmuş PAN lifindeki renk değişimi

T.C.
PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

YÜKSEK LİSANS TEZİ
SERDAR BAŞEV
DENİZLİ, OCAK – 2022
Kaynak: https://tez.yok.gov.tr/