ნახშირბადის ბოჭკო
ნახშირბადის ბოჭკო
ნახშირბადი წარმოადგენს ქიმიურ ელემენტს, რომლის სიმბოლოა C; სიმკვრივე – 1800-2100 კგ/მ3 (გრაფიტი 2267 კგ/მ3; დიამონდი 3515 კგ/მ3); სუბლიმაციის (აქროლების) ტემპერატურა – 3642°C; დუღილის ტემპერატურა – 3506,85°C; კრიტიკული წერტილი – 3856,85°C. მიეკუთვნება არამეტალებს. ცნობილია მისი რამდენიმე ალოტროპიული სახეცვლილება – გრაფიტი, ალმასი და ამორფული ნახშირი.
ალმასი ცნობილია, როგორც უფერო, გამჭვირვალე, ძალიან მაგარი ნივთიერება, გრაფიტი კი შავი ფერის, რბილი ნივთიერებაა, რომელიც ფურცელზე ტოვებს კვალს. არაორგანული ნახშირბადის უდიდესი წყაროა კირქვა, დოლომიტი და ნახშირბადის ორჟანგი (დიოქსიდი), თუმცა მნიშვნელოვანი რაოდენობა გვხვდება ქვანახშირის ორგანულ ფენებში, ნავთობში, ტორფში. მეოთხე ელემენტია მთელ სამყაროში გავრცელების მიხედვით – წყალბადის, ჰელიუმის და ჟანგბადის შემდეგ (მასის მიხედვით). ნახშირბადის უნიკალური თვისება – დედამიწაზე არსებულ ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე წარმოქმნას პოლიმერული ფორმები, მას ხდის სიცოცხლის ქიმიურ საწყისად ყველა სხვა ცნობილ ელემენტებს შორის. ნახშირბადი ქმნის ათ მილიონამდე სხვადასხვა ნაერთს! ნახშირბადთან დაკავშირებული წყალბადი იძლევა სხვადასხვა ნახშირწყალბადს, რომლებიც მნიშვნელოვანია ინდუსტრიაში, როგორც გამაცივებელი აგენტები, ასევე გამხსნელები, საცხი ნივთიერებები; ასევე წარმოადგენენ ქიმიურ წყაროს პლასტმასებისა და საწვავი ნივთიერებების წარმოებაში. ჟანგბადთან და წყალბადთან შეერთებით ნახშირბადს შეუძლია მოგვცეს მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური ნაერთები, მათ შორის შაქარი, ლიგნინი, ხიტინი, ალკოჰოლი, ცხიმი და არომატული ეთერი, კაროტინოიდი და ტერპენი. აზოტთან იგი წარმოქმნის ალკალოიდებს (მცენარეული წარმოშობის ტუტე თვისებების აზოტშემცველი ნივთიერება) და გოგირდთან შეერთებით იძლევა ანტიბიოტიკებს, ამინომჟავებსა და რეზინის პროდუქტებს. ნახშირბადი აღმოჩენილი იქნა დიდი ხნის წინ და ცნობილი იყო ადრეულ ცივილიზაციაში ჭვარტლისა და ქვანახშირის სახით. ალმასს ჩინეთში ჯერ კიდევ ახ. წ.-მდე 2500 წლით ადრე იცნობდნენ. ნახშირბადი ქვანახშირის სახით რომის იმპერიის დროიდან მიიღებოდა იმავე ქიმიით, რაც დღეს – ხის მშრალი გამოხდით. 1722 წელს რიმორმა აჩვენა, რომ რკინა შეიძლება გადაიქცეს ფოლადად ზოგი ნივთიერების შთანთქმისას და ეს ნივთიერება ცნობილია, რომ არის ნახშირბადი. 1722 წელს ა. ლავუ-აზიემ უჩვენა, რომ ალმასი არის ნახშირბადის ფორმა, როდესაც იგი იწვის. კ. შეელემ უჩვენა, რომ გრაფიტი, რომელზეც ფიქრობდნენ, რომ იგი არის ტყვიის ერთ-ერთი ფორმა, სინამდვილეში არის ნახშირბადი. 1786 წელს ფრანგმა მეცნიერებმა კ. ბერთოლემ, გ. მონგმა და ს. ვანდერმონდმა შემდგომში უჩვენეს, რომ ეს ნივთიერება ნახშირბადია. ალმასის უმნიშვნელოვანესი ნაწილი დეპოზირებულია აფრიკაში, უმეტესად სამხრეთ აფრიკაში, ნამიბიასა და კონგოში. იგი არის აგრეთვე კანადაში, ბრაზილიაში, რუსეთის არქტიკაში, ავსტრიაში. გრაფიტის კომერციული ბუნებრივი მარაგი გვხვდება დედამიწის ბევრ ნაწილში, მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი წყაროა ჩინეთში, ინდოეთში, ბრაზილიასა და ჩრდილოეთ კორეაში. ნახშირბადის და მისი ნაერთების გამოყენების სფერო განუსაზღვრელია. დღეისათვის წარმოუდგენელია ნახშირბადის გარეშე ისეთი წარმოებების ფუნქციონირება, როგორიცაა: მეტალურგია, ქიმიური ინდუსტრია, პლასტმასები, მინა, საშენი მასალები, მსუბუქი მრეწველობა, კვების მრეწველობა, მედიცინა და ა.შ.
ნახშირბადის ბოჭკოები
ნახშირბადის ბოჭკოების წარმოება დაიწყო 1960-იან წლებიდან და ხარისხი თანდათან უმჯობესდებოდა. ამჟამად ნახშირბადის ბოჭკოების სიმტკიცე 6000 მპა-საც კი აღწევს, ხოლო კუთრი სიმტკიცე ჩამორჩება მხოლოდ რუსული წარმოების არამიდულ ბოჭკოებს რუსარსა და არმოსს.
ნახშირბადის ბოჭკოს რთული სამგანზომილებიანი სტრუქტურა აქვს, რომლის საფუძველია თხელი მოღუნული გრაფიტის კრისტალები, რომლებიც ორიენტირებულია ბოჭკოს გრძივი ღერძის გასწვრივ.
ნახშირბადის ბოჭკოს აქვს უნიკალური მექანიკური და ფიზიკური თვისებები: მაღალი თბომედეგობა, ხახუნისა და თერმული გაფართოების დაბალი კოეფიციენტი, მაღალი მედეგობა ატმოსფერული ზემოქმედებისა და თერმული გაფართოების მიმართ, განსხვავებული ელექტროფიზიკური თვისებები (ნახევარგამტარიდან გამტარამდე), მაღალი კუთრი მექანიკური მახასიათებლები.
დამუშავების პირობებზე დამოკიდებულებით ნახშირბადის ბოჭკოები შეიძლება იყოს კარბონიზებული და გრაფიტიზებული. კარბონიზებული ბოჭკოების თერმული დამუშავების ტემპერატურა შეადგენს 900-2000°С, ნახშირბადის შემცველობით ბოჭკოებში – 80-99%. გრაფიტიზებულისათვის კი ეს ციფრებია: 3000°С და მეტი 99%-ზე). გრაფიტიზაციის საწარმოებლად, როგორც წესი, გამოიყენება კარბონიზებული ბოჭკო.
ნახშირბადის ბოჭკოების საწარმობლად გამოიყენება მხოლოდ ბოჭკოვანი პოლიმერები, რომლებიც არ დნება თერმული დამუშავებისას და საბოლოო პროდუქტში უზრუნველყოფენ ნახშირბადის მაღალ შემცველობასა და მექანიკურ თვისებებს. ასეთ პოლიმერებს მიეკუთვნება: ვისკოზა ან პოლიაკრილნიტრილის ქიმიური ბოჭკოები, ნახშირის სქელფისი, ჰიდრატცელულოზური ბოჭკოები და ფენოლის ფისის საფუძველზე მიღებული ორგანული ბოჭკოები.
პოლიაკრილნიტრილის ბოჭკოებისაგან მიიღება მტკიცე მაღალმოდულური ნახშირბადის ბოჭკოები. ამ ნედლეულის უპირატესობაა მიღების მარტივი ტექნოლოგია და მასალაში ნახშირბადის დიდი პროცენტული შემცველობა. უარყოფითი კი იგი არის, რომ გამოყოფს მომწამლავ ნივთიერებას – სინილმჟავას. ჰიდრატცელულოზურ ბოჭკოებს ეს უარყოფითი თვისება არ ახასიათებს, იაფიცაა, ამიტომ ნახშირბადის ბოჭკოების წარმოებაში მას, გამოყენების თვალსაზრისით, დიდი უპირატესობა აქვს პოლიაკრილ-ნიტრილის ბოჭკოებთან შედარებით.
ნახშირბადის ბოჭკოების მიღების ტექნოლოგიური პროცესი მოიცავს შემდეგ სტადიებს: მასალის საფექრო მომზადება, დაჟანგვა, კარბონიზაცია და გრაფიტიზაცია.
ცელულოზური მასალის საფექრო მომზადება ითვალისწინებს ტენის, არაორგანული მინარევების და ორგანული ნივთიერებების (საპოხი პრეპარატების ჩათვლით) მოშორებას, რომელიც ხორციელდება გამხსნელებისა და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენებით, რის შემდეგ, 15 სთ-ის განმავლობაში 100°С ტემპერატურის პირობებში, მიმდინარეობს შრობა.
ცელულოზის დაჟანგვა ხდება 350-400°С ტემპერატურაზე. ამ სტადიაზე მიმდინარეობს ძირითადი ქიმიური რეაქციები, შეიმჩნევა მასალის მასის მაქსიმალური დანაკარგები და პიროლიზური პროცესის შემდეგ დარჩენილი მასალა შეიცავს მხოლოდ 60-70% ნახშირბადს.
კარბონიზაცია (ხსნარის ან სითხის გაჯერება ნახშირმჟავა აირით) მიმდინარეობს უფრო მაღალ ტემპერატურაზე (900-1500°С). ამ სტადიაზე გრძელდება ქიმიური პროცესები, რომლის შედეგად ნარჩენები მდიდრდება ნახშირბადით. გარდა ამისა, კარბონიზაციის დროს იცვლება ბოჭკოს ფიზიკურ-მექანიკური თვისებები, რაც ძალიან მნიშვნელოვანია პრაქტიკული მიზნებისათვის. კარბონიზაციისას დიდი მნიშვნელობა აქვს დანამატების ნაირსახეობას, ღუმელში არსებული გარემოს თვისებებს, ტემპერატურულ-დროით და ძალურ რეჟიმებს (ბოჭკოს გამოწელვა-წაგრძელება). დანამატი-კატალიზატორი (ფოსფატები, ქლორიდები, სულფატები და სხვ.) უშუალოდ შეჰყავთ საწყის ბოჭკოებში, ან მიეწოდება ღუმელში. მათი მეშვეობით მაღლდება ნახშირბადის შემცველობა მასალაში და მცირდება კარბონიზაციის ხანგრძლივობა. კარბონიზაციის პროცესი მიმდინარეობს აზოტის ან არგონის ნეიტრალური აირის გარემოში, რაც გამორიცხავს ცელულოზაზე ჰაერული ჟანგბადის ზემოქმედებას.
გრაფიტიზაცია არის გრაფიტის წარმოქმნა (გამოყოფა) რკინანახშირბადოვან შენადნობებში (თუჯი, ფოლადი) მაღალი ტემპერატურის პირობებში. ზრდის ნაკეთობის ცვეთამედეგობას, მაგრამ, ზოგჯერ აუარესებს ლითონის სხვა საექსპლოატაციო თვისებებს. იგი არის თერმული დამუშავება გრაფიტირებული პროდუქციის წარმოებაში, როდესაც ხდება კარბონიზირებული ნახშირბადოვანი მასალის გაცხელება მაღალი ტემპერატურის რეჟიმში (>2200°С) მასში გრაფიტის სტრუქტურის მისაღებად.
გრაფიტიზაცია ტექნოლოგიური პროცესის სტადიაა, რომლის დროსაც ნახშირბადის ბოჭკოები არ ექვემდებარება მაღალტემპერატურულ დამუშავებას. მისი საწყისი ტემპერატურა განისაზღვრება კარბონიზაციის საბოლოო ტემპერატურით, რომელიც იცვლება საზღვრებში – 2600-2800°С. გრაფიტიზაციის პროცესში ხდება ბოჭკოების გამდიდრება შემცველობით მეტი 99%-ზე. ეს პროცესი მიმდინარეობს აზოტოვან გარემოში რამდენიმე წუთის განმავლობაში.
ნახშირბადის ბოჭკოების წარმოებაში მნიშვნელოვანი ეტაპია გამოწელვა-წაგრძელება ცელულოზის ბოჭკოების ნახშირბადის ბოჭკოებად გარდაქმნის სტადიაზე, რომელიც საგრძნობლად აუმჯობესებს ბოჭკოს დრეკად თვისებებსა და სიმტკიცეს.
კარბონიზაციის პირველი სტადია მიმდინარეობს 200-300°С ტემპერატურაზე თავისუფალი შეკლების პირობებში. ამ ეტაპზე მასალა ნაკლებმტკიცეა და ფიზიკურად მისი გამოწელვა შეუძლებელია. თერმული დამუშავების ხანგრძლივობა შეადგენს მაქსიმუმ 30 წუთს, ნახშირბადის შემცველობა მასალაში – 50-60%-ს. მეორე სტადიის დროს ტემპერატურა შეადგენს 500-1000°С, ნახშირბადის შემცველობა მასალაში იმატებს – 70-85%-მდე. მესამე სტადიაზე ტემპერატურა 1500°С-მდეა, ნახშირბადის შემცველობა ბოჭკოში კი უკვე აღწევს 100%-ს.
ნახშირბადის ბოჭკოების სიმტკიცესა და დრეკადობის მოდულზე გავლენას ახდენს თერმოდამუშავების ტემპერატურა. ტემპერატურის მატებისას დრეკადობის მოდულის სიდიდე მონოტორულად იზრდება, ხოლო სიმტკიცე აღწევს რა მაქსიმუმს რაღაც ტემპერატურამდე, შემდეგ იწყებს კლებას, რაც აიხსნება იმით, რომ თერმოდამუშავების ტემპერატურის გაზრდით გრაფიტის კრისტალები ნაკლებად დეფექტური ხდება, კერძოდ იზრდება მისი ზომები. ეს კი იწვევს ძვრის ძაბვების გაჩენასა და ბოჭკოს რღვევას.
ჰიდრატცელულოზური ბოჭკოების პარალელურად პოლიაკრილნიტრილის ბოჭკოებიც ნახშირბადის მასალების საწარმოებელი ერთ-ერთი ძირითადი ნედლეულია. მისგან მზადდება მაღალმტკიცე, მაღალმოდულური ნახშირბადის ბოჭკო, რომელშიც ნახშირბადის შემცველობა პოლიმერის მასის 40%-მდეა. პოლიაკრილნიტრილისგან ნახშირბადის ბოჭკოვანი მასალების მიღების პროცესი ისეთივეა, როგორც ვისკოზისგან.
ნახშირბადის ბოჭკოების წარმოების ყველაზე იაფ და ხელმისაწვდომ საწყის ნედლეულს წარმოადგენს, ოლიგომერული პროდუქტების რთული ნარევი, ნავთობისა და ქვანახშირის სქელფისი. მისგან ნახშირბადის ბოჭკოების მიღების პროცესი მოიცავს შემდეგ სტადიებს: სქელფისის (კუპრის ან ფისის გამოხდის მყარი ნარჩენი) მომზადება, ბოჭკოს ფორმირება, კარბონიზაცია და გრაფიტიზაცია. სქელფისის შედგენილობა და თვისებები დამოკიდებულია მის წარმომავლობასთან და იცვლება ფართო საზღვრებში, ამიტომ ყოველ კონკრეტულ შემთხვევაში სქელფისის მომზადება და გადამუშავება ბოჭკოს მისაღებად სხვადასხვაა.
კონსტრუქციული მასალების დაარმირებისათვის გამოყენებული ნახშირბადის ბოჭკოები პირობითად შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: მაღალმოდულური და მაღალმტკიცე.
ნახშირბადის ბოჭკოების საფუძველზე მიღებული კომპოზიტური მასალებისაგან მზადდება: სამფენოვანი პანელები, თვითმფრინავის მზიდი პანელები, აერო- და ჰიდროტურბინის ფრთები, კოსმოსური აპარატებისა და რაკეტების დეტალები, კონსტრუქციები, რომლებსაც მუშაობა უხდებათ ინტენსიური სითბური ზემოქმედების პირობებში და სხვ.
ნახშირბადის ბოჭკოებით დაარმირებული პოლიმერული კომპოზიტური მასალების წარმატებით გამოყენების მაგალითია მსოფლიოში ყველაზე მძლავრი საავიაციო ფირმა „ბოინგის“ (აშშ) მონაცემები, რომლის მიხედვით ბოინგ 787-ის კონსტრუქციებში ყველაზე დიდი წილი უჭირავს ნახშირბადპლასტიკებს.
სხვადასხვა მასალის გამოყენება თვითმფრინავში ბოინგ 787
| მასალა | მასალის წილი მასის მიხედვით, % | |
|---|---|---|
| 1 | კომპოზიტური მასალები | 50 |
| 2 | ალუმინის შენადნობები | 20 |
| 3 | ტიტანის შენადნობები | 15 |
| 4 | ფოლადი | 10 |
| 5 | სხვა მასალები | 5 |
გასათვალისწინებელია ის, რომ მართალია ნახშირბადის ბოჭკოები არ განიცდიან კოროზიას, მაგრამ შეუძლიათ გამოიწვიონ ფოლადის ელექტროქიმიური კოროზია მასთან კონტაქტისას, გაუძლონ დიდ ციკლურ დატვირთვებს, ხოლო ძაბვების რელაქსაცია და თერმული გაფართოების კოეფიციენტი მათ ნაკლები აქვთ, ვიდრე წინასწარ დაძაბულ ბეტონებში გამოყენებულ ფოლადის ბაგირებს.
