Karbon lifleri
Tekstil liflerinin birçoğu organik kökenlidir ve organik kökenli polimerlerin yapı taşları karbon, oksijen, hidrojen ve azot atomlarından oluşur. Organik kökenli liflerin ısıtılması ile karbon hariç diğer atomlar uzaklaştığından, karbon atomlarından oluşan filamentler elde edilir. Ancak bu şekilde üretilen filamentlerde amorf bölge fazla olmakta ve kristalizasyon işlemi uygulanarak mukavemetinin artırılması gerekmektedir. Edison, pamuk ve bambu lifinden ürettiği karbon liflerinin elektrik ampullerinde kullanılabileceğini 1879 yılında aldığı patentte göstermiştir. Bu patent karbon liflerinin varlığını gösteren ilk belgedir.
Karbon lifinin özellikleri kullanılan hammadde, üretim aşamaları ve işlem sıcaklığı ile belirlenir. Bu nedenle karbon liflerinin sınıflandırılması; bu özellikler dikkate alınarak, modüllerine, gerilim dayanımlarına ve son işlem sıcaklıklarına göre yapılır (Çizelge 1.8).
Çizelge 1.8. Karbon liflerinin sınıflandırılması (Yaman vd., 2006)
|
Modüllerine göre |
Ultra Yüksek Modüllü (UHM) |
Modülleri 820 GPa civarındadır. Örn: Thornel-Type P-120 |
|
Yüksek Modüllü (HM) |
Modülleri 300-500 GPa ve mukavemet/modül değeri 5-7* 10-3‘dür. Öm: Toray firmasının ürettiği M50 |
|
|
Orta Modüllü (10) |
Modülleri 300 Gpa’a kadar ve mukavemet/modül oranı 5-7*10-2‘dir. Örn: Poliakrilnitril esaslı olan M30 |
|
|
Düşük Modüllü (LM) |
Modül değeri 100 Gpa civarında ve izotropik yapıdadır. |
|
|
Mukavemetlerine
|
Çok Yüksek Mukavemetli (UHS) |
Mukavemetleri 5 Gpa ve Mukavemet/sertlik değeri 2-3*10-2‘dir. Örn: Poliakrilnitril esaslı T1000 lifi |
|
Yüksek Mukavemetli (HS) |
Mukavemetleri 3 Gpa ve Mukavemet/sertlik değeri 1,5-2*10-2,dir. |
|
|
Son işlem |
Tip 1 |
Son işlem sıcaklığı 2000 °C’dır. Yüksek modüllü liflerdir. |
|
Tip 2 |
Son işlem sıcaklığı 1500 °C’dır. Yüksek mukavemetli liflerdir. |
|
|
Tip 3 |
Son işlem sıcaklığı 1000 °C’dır. Düşük modül ve mukavemetli liflerdir. |
Karbon filamentlerini sınıflandırırken kullanılan 3K, 6K, 12K gibi adlandırmalarda “K” 1000 adet filamenti ifade eder (Hongu et al., 2005). Karbon lifleri; stabilizasyon, karbonizasyon ve grafitizasyon gibi bir seri işlemden geçirilerek üretilir. Poliakrilnitril (PAN), kömür ve petrol esaslı katran, selüloz ve fenolik reçine prekürsörler, polivinildenklorür veya polivinildenklorür kopolimerleri ve polimidin karbon lif üretiminde yaygın olarak kullanılır. Üretilen karbon liflerinin özellikleri kullanılan hammaddeye, işlem sıcaklığına ve üretim aşamalarına bağlı olarak değişir (Yaman vd., 2006).
PAN ve katran esaslı karbon lifleri Japonya orijinlidir. PAN esaslı karbon lifi, 1959 yılında Dr. A. Shindo (AIST) tarafından keşfedilmiş ve ilk kez 1971 yılında Toray firması tarafından ticarileştirilmiştir. Mitsubishi Rayon ve Toho Rayon (şimdiki TohoTenax) sırasıyla 1983 ve 1973 yıllarında üretime başlamışlardır. Katran esaslı karbon lifleri, Prof. S. Otani (Gunma Üniversitesi) tarafından keşfedilmiş ve 1970 yılında kesikli lif olarak Kureha Chemical Industry tarafından ticarileştirilmiştir.
Poliakrilnitril lifleri % 54 oranında karbon atomu içerir. Ancak poliakrilnitril liflerinden karbon lif üretimi sırasında verim yaklaşık % 40-45 civarındadır. Poliakrilnitril liflerinden karbon lifi elde edilirken takip edilen işlem adımları Şekil 1.26’da verilmiştir (Yaman vd., 2006).
Şekil 1.26. PAN esaslı karbon liflerinin karbonizasyon prosesi (Bunsell and Schwartz, 2009)
PAN liflerini karbon liflerine dönüştürürken üç önemli aşama vardır. İlk aşamada 200-300oC’de oksidatif dengeye ulaşılır; 1000oC’de karbonizasyon gerçekleştirilir ve bu sırada oksitlenmiş liflerden hidrojen ve azot uzaklaşarak geriye hekzagonal halkalar halindeki karbon atomları kalır. Daha sonra 3000oC’de grafitizasyon işlemi gerçekleştirilir.
Çizelge 1.9. PAN esaslı karbon liflerinin özellikleri (Yaman vd., 2007)
|
Özellik |
Birim |
Ticari |
Uzay Endüstrisi |
||
|
Standart Modül |
Standart Modül |
Modül |
Yüksek Modül |
||
|
Germe modülü |
GPa |
228 |
220-241 |
290-297 |
345-448 |
|
Germe dayanımı |
MPa |
380 |
3450-4830 |
3450-6200 |
3450-5520 |
|
Kopma uzaması |
% |
1,6 |
1,5-2,2 |
1,3-2,0 |
0,7-1,0 |
|
Elektriksel özdirenç |
μΏ*cm |
1650 |
1650 |
1450 |
900 |
|
Isıl iletkenlik |
W/m*K |
20 |
20 |
20 |
50-80 |
|
Eksen yönünde elektriksel uzama katsayısı |
10-6*K |
-0,4 |
-0,4 |
-0,55 |
-0,75 |
|
Yoğunluk |
g/cm3 |
1,8 |
1,8 |
1,8 |
1,9 |
|
Karbon içeriği |
% |
95 |
95 |
95 |
+99 |
|
Lif çapı |
μm |
6-8 |
6-8 |
5-6 |
5-8 |
Çizelge 1.10. Katran esaslı karbon liflerinin özellikleri (Yaman vd., 2007)
|
Özellik |
Birim |
Düşük Modül |
Yüksek Modül |
Ultra-Yüksek Modül |
|
Germe modülü |
GPa |
170-241 |
380-620 |
690-965 |
|
Germe dayanımı |
MPa |
1380-3100 |
1900-2750 |
2410 |
|
Kopma uzaması |
% |
0,9 |
0,5 |
0,4-0,27 |
|
Elektriksel özdirenç |
μΏ*cm |
1300 |
900 |
220-130 |
|
Isıl iletkenlik |
W/m*K |
|
|
|
|
Eksen yönünde elektriksel uzama katsayısı |
10-6*K |
—– |
—– |
—– |
|
Yoğunluk |
g/cm3 |
1,9 |
2,0 |
2,2 |
|
Karbon içeriği |
% |
+97 |
+99 |
+99 |
|
Lif çapı |
μm |
11 |
11 |
10 |
PAN esaslı karbon lifleri, katran esaslı karbon lifleri ile karşılaştırıldığında, daha yüksek germe ve sıkıştırma dayanımına, daha yüksek kopma uzamasına ve daha düşük modüle sahiptir (Çizelge 1.9 ve 1.10). PAN esaslı karbon lifleri kullanım sırasında optimum lif özelliklerini sağlamaktadır. Tabaka yerleşimlerinin iyi olması, kristalit yığınlarının boylarının kısa olması, kayma zararını minimize etmektedir. Bu durumda sıkıştırma ve germe dayanımı iyi olmaktadır. Ayrıca karbon lifleri yüksek sürünme dayanımına sahip olup liflerin çapları küçüldükçe mukavemetleri artar.
Karbon liflerinin yoğunluğu kullanılan hammadde ve işlem sıcaklığına bağlı olarak 1,6-2,2 g/cm3 arasında değişir. Karbon lif üretiminde kullanılan hammadde yoğunluğu 1,14-1,19 g/cm3 arasında değişir. Elde edilen lif modülündeki artış grafitizasyon sıcaklığının artışı ile sağlanır. Karbon liflerinden yapılmış kompozitler 1020 çelik konstrüksiyonlardan 5 kat daha dayanıklı ve 1/5’i ağırlığındadır. Aynı şekilde 6061 alüminyum konstrüksiyonlardan 7 kat daha dayanıklı iken, 2 kat daha sert ve 1,5 kat daha hafiftir. Karbon liflerinin yorulma davranışı bilinen tüm metallerden daha iyidir. Uygun reçine ile kaplandığı zaman elde edilen kompozitin korozyona karşı dayanımı iyi olmaktadır. Katran esaslı karbon liflerinin elektriksel iletkenliği bakırdan 3 kat daha fazladır. Karbon lifleri kolaylıkla erimedikleri için yüksek sıcaklıkların oluştuğu uçak frenlerinde ve roketlerde kullanılır (Alagirusamy and Das, 2010).
İnorganik bir materyal olan karbon lifleri nem, açık hava, çözgen, baz ve zayıf asitlerden oda sıcaklığında etkilenmezler. Ancak yüksek sıcaklıklarda oksidasyondan oldukça fazla etkilenirler.
Cam lifleri gibi çoğu karbon lifleri de kırılgandır. Bu nedenle işlenebilirliklerini arttırmak için karbon filamentlerini bir arada tutmaya yarayan apreler uygulanmaktadır. Bunun aynı zamanda deriyle temasta vereceği rahatsızlığın önlenmesinde ve kısa liflerin teneffüs edilmemesi açısından da faydası vardır. Karbon lifi iletken bir lif olduğu için bu lifi işleyen makinelerin elektrik ve elektronik aksamlarının da buna göre tasarlanması gerekir (Horrocks and Anand, 2000).
Piyasada ticari olarak bulunan karbon lifleri şunlardır: Amerika’da Celanese firması tarafından Celion®, UnionCarpet tarafından Thornel®, Great Lakes tarafından Fortafil®, Japonya’da Toroya firması tarafından Toroyca® ve İngiltere’de Courtauls firması tarafından Grafil® ticari isimleri ile üretilmektedir. Türkiye’de ise Aksa firması tarafından Aksaca® adı altında karbon lif üretimi gerçekleştirilmektedir (Ersoy, 2005).
Karbon lifleri, uzay ve uçak sanayinde kullanılan alüminyum gibi hafif metallerin takviyesinde; spor malzemelerinin (tenis, buz hokeyi, kayak) çok hareketli kısımlarında; X-ray ekipmanlarında, enerji depolama bataryalarında, yer merkezli antenlerde, rüzgâr değirmenlerinde pervane ve endüstride kullanılmak üzere silindir üretiminde ve ortopedik malzeme üretimin de sağlamlığı ve yanmazlığı arttırmada kullanılır (Çizelge 1.11). Yoğunluğu 0,05-0,2 g/cm3, ısıl iletkenliği 20oC’de 6.10-5-3.10-4 W/m.K olan karbon keçeleri ise ısı izolasyon maddesi olarak da kullanım alanı bulmaktadır. Elektrik fırınlarında 3000°C’a kadar elektrik izolasyonunda, ses hızının üstünde uçan uçakların fren disklerinde takviye maddesi olarak karbon dokumalar kullanılır.
Çizelge 1.11. Karbon liflerinin karakteristikleri ve uygulama alanları
|
1. Fiziksel dayanım, sertlik ve düşük ağırlık |
Uzay, yol ve liman yapımlarında, spor malzemelerinde |
|
2. Yüksek boyut stabilitesi, düşük termal uzama katsayısı ve düşük aşınma |
Füze, uçak frenlerinde, uzay antenlerinde ve destek yapılarda, büyük teleskoplarda |
|
3. Yüksek mukavemet |
İşitsel ekipmanlar, Hi-fi ekipmanları için hoparlör, pikap kolu, robot kolu |
|
4. Elektriksel iletkenlik |
Otomobil, elektronik ekipmanlar için kaplamalar, EMIve RF koruyucu kılıf, fırçalar |
|
5. X-ray geçirgenliği ve biyolojik hareketsizlik |
Protez gibi tıbbi uygulamalar, araştırma ve x-ray cihazları, implantlar, tendonlar |
|
6. Yorulma direnci, kendi kendini yağlama, yüksek sönüm |
Tekstil makineleri |
|
7. Kimyasal hareketsizlik, yüksek korozyon direnci. |
Kimyasal endüstri, nükleer alan, valiler, yelkenler, pompa bileşenleri |
|
8. Elektromanyetik özellik |
Zincir koparan büyük jeneratörler, radyolojik ekipmanlar |
Membranlar, kimyasal işlemlerde, atık su tutma, ilaç sektörü, yapay insan organları vb. gibi medikal uygulamalarda kullanılır.
Karbon lifi ve termoplastik bir reçine ile oluşan kompozit malzemeler notebook parçalarında ve elektronik parçalarda kullanılır. Karbon lifleri ile kuvvetlendirilmiş polimerden yapılmış kirişler yüksek dayanıma, modüle ve yüksek korozyon dayanımına sahip olduklarından karbon lifi ile kuvvetlendirilmiş polibütilentereftalat çeşitli kemik yapılarında kullanılır. Toksik olmaması ve vücuda minimum zararı nedeniyle bu uygulamalarda önemli bir kullanım alanı bulmaktadır (Yaman vd., 2007).