bélyegkép|220px|Szénszálakból álló fonal bélyegkép|220px|Szénszálakból készült szövet
A szénszálak (karbonszálak) és a velük rokon oxidált szálak napjaink igen fontos textilnyersanyagai közé tartoznak. A nagyrészt szénatomokból álló, különlegesen vékony (0,005–0,010 mm-es) szénszálak alkalmazása elsősorban a kompozitgyártásban jelentős, de készítenek belőle szöveteket és láncrendszerű kötőgépen egy, illetve két irányban rendezett szénszál-fonalakkal megerősített termékeket, valamint körkötött kelméket, nemszőtt kelméket, de fonatolással, sőt hímzéssel is dolgoznak fel szénszálakat illetve azokból készült fonalakat, ipari célokra (például a kompozitok erősítőanyagaként), vagy védőruházatok gyártására.
A szénszálak előállítása valamilyen szerves (azaz szénatomokat is tartalmazó) vegyületből indul, amiből szálakat készítenek. A szálakat ezután rendszerint részleges oxidációval stabilizálják, majd oxigénmentes közegben hevítve és nyújtva alakítják szén-, illetve grafitszállá. A világon először a brit Carr Reinforcements cég állított elő szénszálból szövetet, 1969-ben. Ma is ez a Poliakrilnitrilen alapuló eljárás a leggyakrabban alkalmazott módszer: a szénszálak mintegy 90%-át így állítják elő
A szénszál helye a textilipari nyersanyagok között bélyegkép|500px|A mesterséges szálasanyagok csoportosítása A szénszálak a szálasanyagok hagyományos csoportosításán belül a szervetlen alapanyagú mesterséges szálasanyagok közé tartoznak, oda, ahova az üveg- és a fémszálak is.
Történeti áttekintés
Edison 1879-ben elszenesített bambuszrostból készítette el első izzólámpáját. 1958-ban az USA-beli Union Carbide cégnél – Roger Bacon kutatásainak eredményeként – viszkózszálak hevítésével állítottak elő szénszálakat, de ez nem volt elég hatékony módszer, mert a viszkóz csak mintegy 20% szenet tartalmaz. Az 1960-as években kezdtek kísérletezni a jóval nagyobb széntartalmú poliakrilnitrillel mint kiinduló anyaggal (ún. prekurzorral), aminek széntartalma 55%. Ez már jó eredménnyel járt. 1969-ben jelentette be a brit Carr Reinforcements cég, hogy a világon először állított elő szénszálból szövetet. Ma is a poliakrilnitrilen alapuló eljárás a leggyakrabban alkalmazott módszer: a szénszálak mintegy 90%-át ebből állítják elő. Ezt az eljárást használja a nyergesújfalui Zoltek Zrt., a valamikori Magyar Viscosagyár utódcége is.
Az 1970-es években kísérleteket kezdtek a 85% széntartalma folytán ígéretesnek látszó kátránnyal, mint kiinduló anyaggal, ami a nyersolaj-feldolgozás mellékterméke és kiváló hajlítószilárdsága van, azonban összenyomással szemben tanúsított gyenge ellenálló képessége miatt nem vált be a szénszálgyártás céljára.
A legújabb fejlesztési irány az ún. szén nanocsövek előállítása. Ezek milliomod milliméter nagyságrendű átmérővel rendelkező csövecskék, amelyeknek – mint a nano méretű anyagoknak általában – egész különleges mechanikai és elektromos tulajdonságaik vannak. Textilipari alkalmazásuk egyelőre még nem időszerű.
Előállítás
A szénszálak előállítása - PAN és szénszál előállítása reakcióegyenletekkel valamilyen szerves (azaz szénatomokat is tartalmazó) vegyületből indul, amiből szálakat készítenek. A szálakat ezután rendszerint részleges oxidációval stabilizálják, majd oxigénmentes közegben hevítve és nyújtva alakítják szén-, illetve grafitszállá.
Előállítás poliakrilnitrilből bélyegkép|250px|A poliakrilnitril szerkezeti képlete bélyegkép|250px|Oxidált szál előállítása akrilnitrilből.1. Az akrilnitril poliaddíciója. 2. A poliimin-szerkezet kialakulása gyűrűzáródással. 3. Az aromás szerkezet kialakulása oxidatív dehidrogénezéssel.
Napjainkban a szénszálak előállítása leggyakrabban poliakrinitrilből (PAN) történik. A PAN-t akrilnitril polimerizációjával nyerik; a polimerláncba azonban egyéb, a gyártási folyamatot segítő molekulák (komonomerek) is bekerülnek. Az oldatban lévő monomerekhez gyökös vagy nukleofil katalizátort adnak, melynek hatására poliaddíció indul be, és az oldatból szilárd PAN-szálak válnak ki. A PAN-szálak nitrogéntartalmú oldalláncai rendezetlenül helyezkednek el, vagyis a képződő PAN ataktikus.
A szénszálgyártás első lépése a PAN részleges oxidációval történő stabilizációja. A PAN-szálköteget oxigén jelenlétében néhány percig 200–350 °C-on hőkezelik. Ennek hatására három kémiai reakció játszódik le. Először a nitril oldalláncok gyűrűvé záródnak (ciklizáció), így egy második, poliimin-típusú, konjugált elektronrendszerrel rendelkező polimerlánc és létraszerű szerkezet (kondenzált gyűrűk) alakul ki. Eközben az eredeti, csak szénatomokból álló láncon hidrogén kilépésével (dehidrogenizáció) kettős kötések jönnek létre, ennek révén konjugált elektronrendszer alakul ki a polimer szénvázán is; végül az oxidatív folyamatok hatására karbonil és hidroxil funkciós csoportok jelennek meg. Mivel a kiindulási PAN ataktikus polimer, nem alakul ki egyetlen, hosszú poliiminlánc, csupán 3-6 egységből álló szakaszok. A ciklizációs reakció megindulását szabad gyökös katalizátorokkal segítik elő, a folyamat teljes lejátszódását pedig az oxidatív környezet segíti. A reakciót nukleofil voltuk miatt elősegítik a karboxil-, keto- vagy alkoholcsoportot tartalmazó vegyületek, ezért vagy komonomerként (például itakonsav), vagy oldószerként (például N,N-dimetil-formamid) biztosítják jelenlétüket. Az első lépésben létrejött termék az ún. oxidált szál, ami már felhasználható mint textilipari nyersanyag. Az oxidált szál a reakciókörülményektől függően kb. 62% szenet, 21% nitrogént, 13% oxigént és 4% hidrogént tartalmaz.
A második lépés a stabilizált szál pirolízise (elszenesítése). Ennek során a szálakat inert (oxigénmentes, például tiszta nitrogén, argon vagy hélium) közegben mintegy 800 °C-ra hevítik. Ezalatt az oxigén és a nitrogén illékony vegyületek (például hidrogén-cianid, ammónia, szén-monoxid) formájában távozik, így kialakulnak a már szinte kizárólag szénatomot tartalmazó, egymáshoz közvetlenül kapcsolódó (kondenzált) aromás gyűrűkből álló lánc. Ez a termék már szénszál, széntartalma már 90% fölötti.
A harmadik lépés a grafitizáció. Ennek során a szálat inert atmoszférában nyújtják és hevítik mintegy 1000–3000 °C-ig. Ennek eredménye a grafitszál, melynek széntartalma már csaknem 100%. A nyújtás a szerkezet megfelelő orientációját szolgálja: hatására a szénatomok rendkívül erős kötésekkel kristályokba rendeződnek, amelyek többé-kevésbé egy hossztengely mentén láncszerűen helyezkednek el. Ez adja az ilyen típusú szálak rendkívül nagy szilárdságát.
A gyártási folyamat befejezéseként mind az oxidált szálakat, mind a szénszálakat a további feldolgozást segítő felületkezeléssel látják el.
Előállítás kátrányból Kőszén- vagy kőolajkátrány olvadékából húzott szál is felhasználható szénszál gyártására. A szénszálgyártáshoz használt kátrány dermedéspontja 85–110 °C, főként polikondenzált aromás vegyületeket tartalmaz. A szállá húzott kátrány olvadáspontja viszonylag alacsony, a magas hőmérsékletű kezelés előtt meg kell növelni olvadáspontját. Ez részleges oxidációval (oxidatív atmoszférában hevítéssel) történik. A következő lépés az előszenesítés inert közegű hevítéssel 400–750 °C-on. Az ekkor még jelentős mennyiségű oxigént tartalmazó szálat inert közegben tovább hevítik 1000–1500 °C-ra, amikor kialakul a grafitszerű szerkezet.
Feldolgozás Mint a mesterséges szálasanyagok általában, a szénszálak és az oxidált szálak is szálkötegben – ún. kábelben – készülnek el; egy-egy ilyen szálköteg több ezer, esetleg több tíz- esetleg százezer szálat – filamentet – tartalmaz. Ha a szálköteget tépéssel vagy vágással néhány milliméter vagy néhány centiméter hosszú darabokra feldarabolják, ún. vágott szálakat kapnak, ha pedig bizonyos számú szálat különválasztva, de teljes hosszában megtartva dolgoznak fel tovább, akkor filamentfonalat nyernek.Lásd bővebben a Szálasanyagok szócikkben. A vágott szálakat ebben az állapotban, vagy – esetleg más nyersanyagú szálakhoz keverve – fonással dolgozzák fel, a filamentfonalak pedig közvetlenül is feldolgozhatók a kelmeképzési eljárások (szövés, kötés, fonatolás) valamelyik változatával. A vágott szálakat műanyagokhoz keverve kompozitok készítésére, vagy pedig nemszőtt kelmék gyártásához használják.
Száltulajdonságok
Az oxidált szálak és a szénszálak tulajdonságaikban és így felhasználási területeikben jelentősen különböznek egymástól. Tulajdonságaikat a továbbiakban a Magyarországon gyártott Pyron oxidált szál, illetve a Panex szénszál példáján mutatjuk be (lásd a táblázatban).
A szénszálak és oxidált szálak fő tulajdonságai Pyron®Pyron® Technical Fibre - Ismertető brosúra a gyártó honlapján Panex®Panex® Commercial Carbon Fibre - Ismertető brosúra a gyártó honlapjánSzéntartalom, %62> 95Sűrűség, g/cm³1,35–1,41 (típustól függően)1,82Szálátmérő, µm137,2Szálfinomság, dtex1,7nem mérikSzakítószilárdság, MPa2603800Rugalmassági modulus, GPa8,5242Szakadási nyúlás, % 20–251,5Hurokszilárdság, mN/tex35a mérhetőség határa alattHővel szembeni ellenállásjó hőszigetelőjó hővezetőÉghetőség (LOI érték)32–50 (típustól függően)90Elektromos tulajdonságokelektromosan szigetelvezeti az elektromosságotLúgállósághíg oldatban kitűnő, tömény oldatban gyengekitűnőSavállósághíg oldatban kitűnő, tömény oldatban jókitűnőNedvességfelvétel, %6–10< 0,1
A táblázat adataiból látható, hogy a szénszálnak igen nagy a szakítószilárdsága, de sokkal kisebb a szakadási nyúlása, mint az oxidált szálnak. A rugalmassági modulus (amelynek számértéke egyenlő azzal a fajlagos húzóerővel, amely szükséges lenne a szál hosszának megkétszerezéséhez) a szál merevségére jellemző adat. Minél nagyobb ez a szám, annál merevebb anyagról van szó. Összefügg vele a hurokszilárdság, mert hiszen egy nagyon merev szál igen törékeny is.
A felhasználás szempontjából nagyon fontos még a szénszálak rezgéscsillapító hatása, korrózióval, kifáradással, az ibolyántúli (UV-) sugárzással szembeni jó ellenálló képessége, jó nyírószilárdsága és elektromos vezetőképessége, csekély hőtágulási együtthatója és vízfelvétele. A szénszál merevségét azzal szokták ellensúlyozni, hogy más szálakkal (például a sok szempontból hasonló tulajdonságokat mutató aramidszálakkal) együtt dolgozzák fel.
Az oxidált szál nagyon fontos tulajdonsága, hogy hő hatására nem olvad, normál levegőben nem ég, sőt kioltja a lángot. Erre utal a nagy LOI- (Limiting Oxygen Index) érték, az az oxigénmennyiség, ami az égéshez szükséges lenne. Gondoljuk meg, hogy a levegő oxigéntartalma 21%, azaz ha egy anyagnak ennél többre van szüksége az égéshez – márpedig ezt fejezi ki a LOI index –, akkor levegőben nem ég. (Összehasonlításul: a köztudomás szerint jól égő pamut LOI értéke 17.)
Érdekes, hogy míg az oxidált szál jó hőszigetelő, a szénszál épp ellenkezőleg, jól vezeti a hőt. Hasonló különbség mutatkozik az elektromos vezetőképességben is. Az a körülmény, hogy az oxidált szál elektromosan szigetelő anyag, azt jelenti, hogy hajlamos az elektrosztatikus feltöltődésre, ami a textilipari feldolgozásban és egyes alkalmazási területeken zavaró lehet, így olyan felületi kezeléssel látják el, ami megakadályozza ezt a jelenséget. Az oxidált szál elektrosztatikus feltöltődési hajlama lényegesen kisebb, mint általában a mesterséges szálaknak, mert a szál egyensúlyi nedvessége magas, 8-10%, és mint köztudott, a nedvesség jó „antisztatikum”.
Bizonyos alkalmazási területeken előnyös ezeknek a szálaknak a jó sav- és lúgállósága.
Ipari alkalmazások
bélyegkép|220px|A szélerőművek lapátjait igen gyakran szénszállal erősített műanyagból gyártják bélyegkép|220px|A motor vázszerkezetének hátsó része szénszállal erősített műanyagból készül bélyegkép|220px|Versenymotoros kesztyű. A kézfej és az ujjak védelmét ellátó betét szénszálakkal erősített műanyagból készült
Az oxidált szálak és szénszálak ipari jelentősége igen nagy és alkalmazási területük egyre bővül. A textilipar is feldolgozza, de elsősorban a kompozitgyártásban használnak nagy mennyiségben szénszálakat, bár ott is sok esetben valamilyen textilkelme formájában.