Как производят карбон?

Итак, друзья, зарекся я полезть не в свою область и рассказать вам о производстве карбона, если наберем 50 реакций. Ну что ж, нужное количество набрали, выполняю обещание.

Физики здесь практически нет, только химия, поэтому призываю осведомленных в теме меня поправлять. Кстати, когда собирал информацию, обнаружил, что на русскоязычных ресурсах очень поверхностно ведется рассказ о технологии производства углеродного волокна, но зато очень много патриотически-рекламных видео о том, что у Росатома есть в Елабуге самое крупное профильное предприятие.

Так как мы будем говорить об углеродных материалах, то давайте не просто будем перечислять все этапы производства, а рассмотрим путешествие атомов углерода из одного вещества в другое (это же химия, здесь про превращение веществ друг в друга).

Как мы знаем, углерод имеет 4 валентных электрона и может образовывать 4 связи с другими атомами. И за первую его остановку давайте возьмем жидкое органическое вещество акрилонитрил CH₂=CH-C≡N. Говорят, токсичный.

В двойной связи углерода (там, где две палочки) одна из них слабее. При определенных условиях (специальная среда, температура и многое другое) эта слабая связь рвется, образуя вместо целостного вещества большое количество частиц–радикалов с неспаренными электронами, желающих к чему-нибудь срочно присоединиться. И присоединяются они к таким же радикалам, образуя длинную цепочку из тысяч повторяющихся звеньев, т.е. полимер. Это следующая остановка нашего углерода – стать частью полимера полиакрилонитрила (PAN) в виде порошка или гранул. Кстати, тройная связь в группе CN (там, где три палочки в формуле выше) очень прочная, и при образовании полимерной цепочки эти CN висят как бусы на молекуле полимера.

Далее получившийся порошок растворяют в сложных растворителях с получением густой массы. Этот сироп проталкивают через множество мелких отверстий – фильер в водяную ванну, а затем, высушивая, сильно вытягивают, ориентируя большую часть полимерных цепочек параллельно друг другу, и получается белая прочная нить PAN – сырье для производства карбона.

Итак, сейчас у нас углерод находится в волокне органического вещества. Значит нам нужно из этого волокна удалить все лишнее, оставив только атомы углерода. Что для этого подходит лучше всего? Конечно же, нагрев!

Сначала волокно нагревают до 250-300 градусов. Первыми при нагреве, конечно же отлетают самые легкие - атомы водорода либо сами по себе, либо, соединяясь с кислородом, пришедшим из воздуха при отжиге. Также при этой температуре те самые CN-бусы начинают перестраивать химические связи между соседними звеньями одной цепи так, что цепочка превращается в жесткую лестничную структуру из соединенных шестиугольных колец. На этом этапе возникает структура, где почти в каждой вершине шестиугольного кольца находятся атомы углерода. Ничего это вам не напоминает? Да, именно эта остановка нашего углеродного путешествия является первым шагом к структуре графита.

Остается финишная прямая – этап карбонизации – отжиг в инертной атмосфере при высоких температурах (1500 градусов). Здесь происходит окончательное изгнание почти всего, кроме углерода (азота и оставшегося водорода), а также укрупнение и упорядочивание углеродных шестиугольных сеток в графитоподобную слоистую структуру. Вот мы и получили углеродное волокно.

Далее с этим волокном можно делать все, что угодно. Ткань, корпус автомобиля, декоративные накладки и т.д. Автомобильный карбон, например, делается путем укладки слоев волокна определенным образом и заливки его эпоксидной смолой. Так получается прочный и легкий композит.

Волокно, кстати, после карбонизации обрабатывается специальным раствором, чтобы не повредиться при дальнейшем производстве из него чего-либо, и чтобы связующий компонент (эпоксидная смола) лучше сцеплялся с ним.

Вот примерно так я влез в химию и рассказал вам о таком сложном продукте. Можете поправлять, дополнять и уточнять информацию в комментариях, а если было интересно, отправить другу.