Karbon elyaf

Karbon elyafın bilinen en eski ticari kullanımı; 1800’lerin sonlarında, akkor lamba teli(flamenti) elde etmek amacıyla pamuk ve bambu lifinin karbonizasyonu ile başlamıştır. Takviye malzemesi olarak kullanımı ise 1950’lerin sonlarında roket malzemesi olarak kullanılmasıyla olmuştur. 2. Dünya Savası sırasında Union Carbide Corporation firması, rayon ve poli(akrilo nitril)’in (PAN) karbonizasyonunu bulmuştur. Karbon lifi üretmek için uygun olduğu düşünülen diğer malzemeler poliesterler, poliamidiler, poli(vinil alkol), poli-p-fenilen ve fenolik reçinelerdir. Bu malzemelerden rayon, PAN ve ziftin (pitch) iyi mekanik özellikler gösterdiği bilinmektedir. İlk karbon elyaf rayondan yapılmıştır. Ancak günümüzde ticari olarak satılan karbon elyafın %90’ı PAN temellidir. Çünkü PAN temelli karbon elyaf, zift ya da

rayondan yapılan karbon elyafa kıyasla yüksek dayanım, modül ve kopma uzamasına sahiptir (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Karbon Elyaflar; cam elyafının günümüzde en çok kullanılan ve geçerli takviye malzemesi olmasına rağmen gelişmiş kompozit malzemelerde genellikle saf karbonun elyafı kullanılmaktadır. Karbon elyafı cam elyafına oranla daha güçlü ve hafif olmasına rağmen üretim maliyeti daha fazladır. Hava araçlarının iskeletlerinde ve spor araçlarında metallerin yerine kullanılmaktadır (Çelikçi, 2013).

Karbon elyafı ilk kez cam elyafın sertliğinin 3 – 5 kat arttırılması amacı ile karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu bilinmesinden dolayı üretilmiştir. Karbon elyafları piyasada iki biçimde bulunmaktadır:

-Sürekli Elyaflar: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda ve önceden reçine emdirilmiş elyaflarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler.

-Kırpılmış Elyaflar: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler (Çelikçi, 2013).

Her hammaddeden karbon elyaf üretme süreçlerinin detayları farklı olsa da hepsinin üretiminde temel olarak aynı sıra izlenir: (1) Lif yapma, (2) Stabilizasyon (3) Karbonizasyon (4) Yüzey iyileştirmesi ve kaplama (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

PAN temelli karbon elyaf üretimi

Karbon elyafın gerçek özellikleri üretim metoduna bağlıdır. Endüstriyel olarak karbon elyaf üretimi termal oksidasyon ve organik katalizör kullanılarak yapılan grafitleme işlemleridir. PAN tabanlı karbon elyaf kompozitleri malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için sürekli geliştirilmektedir (Çelikçi, 2013).

Günümüzde kullanılan karbon elyafın büyük çoğunlu PAN temellidir. Üretimde ilk aşama PAN polimerinin, standart tekstil lifi sürecinde olduğu gibi, lif haline getirilmesidir (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Oksidasyon aşamasında elyaf gerdirilir ve oksijen ortamında yaklaşık 300 °C’ye kadar ısıtılırlar. Bu işlemle, elyaftan hidrojen ayrılır ve yerine daha uçucu olan oksijen bağlanır (Şekil 5.2). Bu sayede moleküller yönlenir ve çapraz bağlanırlar bu da elyafın yüksek sıcaklıklarda bozunmasını önler (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Şekil 5.2. Karbon elyafın oksidasyon işlemi.

Karbonizasyon, elyafın oksijensiz ortamda 3000 °C’ye kadar ısıtılmasıyla liflerin 100% karbonlaşmasının sağlanması aşamasıdır (Şekil 5.3.). Karbonizasyon işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Şekil 5.3. Karbon elyafın karbonizasyon işlemi.

Karbonizasyonun ardından elyafa yüzey islemesi yapılır. Bu işlemin amacı elyaf yüzeylerini temizlemek ve yüzeylerine fonksiyonel grup eklemektir. Birçok üretici bu amaçla elektrolitik oksidasyon sürecini kullanmaktadır. Böylece elyaf yüzeylerinde karboksil, karbonil ve hidroksil gruplar meydana gelmektedir. Bu sayede elyafın matrise yapışması iyileştirilmiş olur (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Ön kaplama (sizing) ise elyafı sonraki işlemlerden korumak ve matrise daha iyi yapışmasını sağlamak için yapılan bir işlemdir. Bu işlem sırasında elyaf reçine ile kaplanır. Bu reçine kompozitinde matris ile elyaf arasında bir ara yüz görevi görür. Kaplama işleminde reçine olarak genellikle epoksi kullanılır (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

PAN tabanlı karbon elyaflar birbirini takip eden dört aşamada sentezlenmektedir; Oksidasyon; Bu aşamada elyaflar hava ortamında 300 o

C’de ısıtılır. Bu işlem, elyaftan H’nin ayrılmasını daha uçucu olan O’nin eklenmesini sağlar. Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek grafit teknelerine konur. Polimer, merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu işlem sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye, ardından siyaha dönüşür.

Karbonizasyon; Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000 °C’ye kadar ısıtılmasıyla liflerin % 100 karbonlaşması aşamasıdır. Karbonizasyon işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler.

Yüzey iyileştirmesi; karbonun yüzeyinin temizlenmesi gerçekleştirilir ve elyaf kompozit malzemenin reçinesine yapışabilmek üzere elektrolitik banyoya yatırılır.

Kaplama; Elyafı sonraki işlemlerden (prepreg gibi) korumak için yapılan nötr bir sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi kullanılır (Çelikçi, 2013).

Zift temelli karbon elyaf

PAN temelli karbon elyafın sağladığı yüksek modül, iyi ısıl ve elektriksel iletkenlik gibi özellikler, zift temelli karbon elyaftan kolayca elde edilemez. Zift temelli karbon elyaf daha bükülmez ve daha kırılgan özelliktedir. Bu elyafın üretimi, PAN temelli elyaf üretimiyle aynı yolu izler. Ancak sıcaklık, gerdirme ve stabilizasyon süreleri gibi faktörler de farklılık gösterir (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Zift tek başına düşünüldüğünde ucuz bir malzeme olmasına rağmen karbon elyaf halini alıncaya kadar geçtiği aşamalar, maliyetinin artmasına sebep olmaktadır. Bu sebeple zift temelli karbon elyaf, PAN temelli karbon elyafa göre daha pahalıdır (Mazumdar, 2002; Miracle, 2001).

Karbon elyafın tüm diğer elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modülüs özelliğidir. Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert malzemedir. Karbon lifleri liflerle donatılı kompozitlerin üretiminde kullanılan önemli bir lif türüdür. 1960’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlamış olan bu liflerin, düşük yoğunluğuna karşın çekme dayanımı ve elastik modülü yüksektir (Demirel, 2007).