Mis on süsinikkiud?

Mis on süsinikkiud? Lihtne vastus – süsinikust kiud.

See on muidugi mingi piirini õige, aga ei ole piisav ja jätab mitu küsimust vastamata. Kas tõesti ainult süsinik? Milline on süsinikkiu struktuur mikrotasandil? Millest süsinikkiudu tehakse? Milles on süsinikkiud kõigi teiste kiudude hulgas eriline ja mis põhjustab tema imematerjali kuulsuse?

Süsinikkiuks (carbon fibre) nimetatakse nii kiudu ennast kui ka sellest valmistatud lõnga ja kangast, mille kõige laiemalt tuntud kasutusala on plastiku armeerimine, kuigi armeerida saab ka keraamikat ja veel ühte-teist. Terminoloogiliselt ranget vahet tehes tuleks seda komposiitmaterjali nimetada süsinikkiuga armeeritud plastikuks. Peaaegu alati nimetatase seda samuti süsinikkiuks. (Näiteks: süsinikkiust jalgratas on tegelikult jalgratas, mille mõned osad on tehtud süsinikkiuga armeeritud plastikust.) Klaasplastik ehk klaaskiuga armeeritud plastik on selle vanem ja odavam vend. Klaaskiud on lihtne asi, sest klaasi saab pehmeks kuumutada ja peenikeseks niidiks tõmmata. Süsinikuga on asi keerulisem.

Kuigi süsinikkiu saamiseks on erinevaid tehnoloogiais, on kõige levinum, et algul tehakse polüakrüülnitriilist kunstkiud. Võimalik (mõne erisorti süsinikkiu saamiseks isegi vajalik) on alustada pigist või tselluloosi kiududest. Kõigepealt saadud kiudu stabiliseeritakse. Tehniliselt tähendab see mitmekordset immutamist, pesemist, venitamist, keetmist, rullimist, gaasidega läbipuhumist jms. Keemiliselt muutub pikk süsivesinikust ahel tsükliliseks. Pikad molekulid koosnevad nüüd kuusnurkadest. See näeb juba veidi sedamoodi välja, nagu grafeeni üks riba, aga ei ole seda mitte. Kuusnurkades ei ole mitte kuus süsinikuaatomit, üks nurk on endiselt lämmastik. Stabliseerimisel muutub kiud ka peenemaks ja tihedamaks, ei sisalda enam poorides kuigi palju õhku ning pikad polümeerimolekulid on suures osas paigutunud piki kiudu.

Päris süsinikkiu saab grafiidistamisega, võiks ka grafeenistamiseks nimetada. Eelpolümeerist kuumutatakse välja kõik peale süsiniku. Natuke süsinikku läheb ka kaduma, aga olulisem on see, et algul vesinik ja hiljem ka lämmastik kaovad. Moodustuvad pikad ja kitsad grafeeni ribad. Ainult ribade servades on veidi lämmastiku aatomeid. Süsinikku laias laastus üle 95%. Mõnes mõttes on see nagu pikk grafiidi kristall, aga erinevus on siiski oluline. Grafiidis on samasugused kärjestruktuuriga tükikesed väikesed ja omavahel suhteliselt nõrkade molekulaarjõudega seotud. Seepärast on grafiit pehme ja pudenev. Kius on ribad pikad ja põimunud nagu nende eelmaterjaliks olnud polümeeris ja seepärast ongi kiud nii tugev.

Viimase etapi temperatuur ulatub 1300 kraadini, mõnes tehnoloogias isegi 3000 kraadini. Juhtub, et seda nimetatakse kiu põletamiseks, mis on vale. Tegelikult hoitakse hapnik sellest etapist hoolega eemal, muidu põleks kiud kohe ära. Nii palju kui kiud enne õhku sisaldab, seevõrd on seal ka põlemist. Üldiselt on tegu ikka polümeriseerumisega.

Süsinikkiu saamise teine etapp: grafeenistamine	Süsinikkiu saamise kolmas etapp: polümeriseerumine.

Kaubandusliku süsinikkiu saamiseks järgneb veel hulk tehnoloogiat. Kiudu puhutakse gaasidega läbi, kaetakse immutades või elektriliselt mitmesuguste ainetega, kedratakse, kootakse, põimitakse. Üks probleem on see, et kui kiud (enamasti kangas) läheb plastiku armeerimiseks, peab ta vaikudega hästi nakkuma. Selleks tehakse erinevatele sortidele sobivate vaikudega eelimmutamine. Samuti on oluline, et kiud omavahel veidi kleepuksid, et saaks nad niidiks kokku kerida. Muidu on neid keeruline poolidele ja maha kerida ning kangaks kududa.

Üks süsiniku mikrostruktuur, mida hästi teatakse, on süsiniknanotoru. Kui seda torustruktuuri pildilt vaadata, paistab ta pikk peenike asi ja tekib kiusatus sedagi süsinikkiuks pidada. Nanotoru on siiski nii struktuurilt kui ka omadustelt täiesti teine asi. Tõsi küll, mõnel harval juhul lisatakse kiududele natuke nanotorusid, et saada veel erilisemate omadustega materjale.

Ajalooliselt peetakse esimeseks süsinikkiuks Thomas Edisoni süsiniidiga hõõglambi katsetusi 1879. aastal. Tänapäevase süsinikkiuga on sel väga vähe ühist, mida näitab ka pikk tühik ajaloos. Kaasaegse tehnoloogia alguse võib märkida aastasse 1958, kui poolsünteetilisest tselluloosi kiust saadi esimesed, kõigest 20 kuni 50% süsinikusisaldusega süsinikkiud. Vastav tootmisharu ja rahvusvaheline süsinikkiu turg kujunesid välja 1970. aasta paiku.

Süsinikplastik on tänapäeval hästituntud materjal. Sellest tehakse võidusõiduautosid, mootor- ja jalgrattaid, lennukeid ja satelliite. Päris igapäevast kasutust piirab veel veidi hind, aga ajad muutuvad. Kas aga lihtsalt puhtal süsinikkiul on ka mõni rakendusvõimalus?

Üksikut kiudu saab kasutada mikroelektroodina biokeemiliste signaalide analüüsil. Tuhandetest süsinikkiududest korraga tehakse lennukite maandusharjad. Need on nii pikkuse kui ka läbimõõdu poolest joogikõrre mõõtu süsinikkiu pundid. Kinnitatud on harjad lennuki tiibade ja saba taha umbes ühemeetriste vahedega. Maandusharjad kaitsevad lennukikeret hõõrdeelektri (õhumolekulid vastu lennukikeret) ja äikesetabamuse kahjuliku mõju eest.

Toime seisneb selles, et teravike lähedusse tekib erakordselt mittehomogeenne elektriväli, mille tugevus varieerub suures ulatuses. Tekib koroonalahendus ja selle käigus elektrilaeng eraldub keskkonda. Võiks öelda, et hõõrdumisel kere laadub ja koroonalahenduse käigus tühjeneb. Mida tugevam on elektrivälja gradient, seda efektiivsemalt maandamisprotsess toimib. Välgutabamuse ajal harjakesed sulavad üles ja mehaanikutel tuleb need välja vahetada, nagu ka needid, mis on viga saanud.