Karbon elyaf, rüzgar türbinlerinin enerji üretiminin artırılması, otomobillerdeki yakıt tüketiminin azaltılması, altyapı ve yapıların güçlendirilerek ömürlerinin uzatılması gibi dünyanın karşı karşıya olduğu en önemli sorunlara yönelik inovatif çözümler sağlayan, katma değeri yüksek ve stratejik bir üründür.
Karbon elyaf bazlı materyaller, güçlü ancak hafif yapılarıyla enerji verimliliği, hafiflik, dayanıklılık ve düşük emisyon salınımının temel performans kriterleri olduğu gelişen sektörlerde kapsamlı olarak kullanılır.
Karbon elyaf, sıklıkla kullanılan metallere oranla çok daha sağlam, mukavemeti yüksek ve hafif bir malzemedir. Çoğunluğu karbon atomlarından (>% 95) oluşan, insan saçından bile ince filamentler (çapı 5-7 μ) halindedir. 1.000 (1k), 3k, 6k, 12k, 24k, 50k gibi sayıda değişen filamentten oluşan ve tow adı verilen iplikler şeklinde üretilir.
Karbon elyaf sert bir reçine veya plastik gibi bir bağlayıcı polimer ile kullanıldığında, sağlamlık / ağırlık oranı (aynı şekilde sertlik / ağırlık oranı) çelik veya alüminyumdan çok daha yüksektir.
Polyester, naylon, polietilen gibi çoğu plastik (polimer), ısıtıldıklarında önce erir, sonra bileşenlerine ayrılır. Birkaç polimer türü ise (örn. poliakrilonitril, selüloz) ısıtıldıklarında erimez, bunun yerine kendileri ile etkileşime girerek kömürleşirler veya karbonize olurlar. Bunun en basit örneği ekmektir. Ekmeği ısıttığınızda erimez, sertleşerek kızarmış ekmek haline gelir. Daha mukavemetli ve güçlü karbon elyaf elde edebilmek için dünyada genelde karbon elyaf üretiminde hammadde olarak poliakrilonitril kullanılır.
İşlemin ilk adımı, bir serbest radikal katalizörün eklenmesiyle başlangıç malzemesi olan akrilonitrilin (monomer) bir polimere (bağlı monomerler zinciri) dönüştürülmesini veya polimerizasyonunu içerir. Bu polimerizasyonu bir solventte (solüsyon polimerizasyonu) veya su içinde (süspansiyon polimerizasyonu) gerçekleştirmek mümkündür, bununla birlikte süspansiyon polimerizasyonu en yaygın olanıdır. Çözelti polimerizasyonunda çözünmüş polimer doğrudan elyaf çekim (spinning) aşamasına beslenirken, süspansiyon (diğer adıyla suspension, slurry) polimerizasyonunda polimer su fazından ayrıldıktan sonra süzülür, kurutulur ve uygun bir çözücü içinde çözülür ve sonrasında elyaf çekim aşamasına gönderilir.
Genel olarak, polimer çözeltisinin elyafa dönüştürülmesi, viskoz çözeltinin bir dizi küçük deliklerden oluşan düzeler (spinneret) içinden elyafın koagüle olduğu ve elyaflı bir jel oluşturduğu çözücü olmayan (su) banyosuna ekstrüzyonunu (püskürtme) içerir. Bir dizi yıkama, gerdirme ve kurutma işlemi ile jel kıvamındaki lifler esnek poliakrilonitril liflere (öncü lif) dönüşür. Precursor olarak adlandırılan bu beyaz elyaf artık karbon elyafa dönüştürülmeye hazırdır.
Karbonizasyon işleminin ilk adımı, precursor’un ısı ve oksijen ile dikkatli ve kontrollü bir şekilde çapraz bağlanarak, ısıl dengeli siyah elyaf haline getirilmesini içerir. Bu malzemeye oksitlenmiş elyaf denir. Bu haliyle henüz hala diğer elementlerin (hidrojen, nitrojen ve oksijen) %35-40'ını içerir, çapraz bağlı yapı amorf ve karbon elyaftaki gibi kristal değildir.
Oksitlenmiş elyaf daha sonra bir dizi yüksek sıcaklıkta fırında ısıtılır. Böylece öncelikle karbon olmayan elementleri kaybolur, bu da kütlede %50'lik bir azalmaya neden olur. Ardından karbondan karbona bağı kırma ve oluşturma aşamaları meydana gelir. Amorf karbon yapısını, amorf bölgeler tarafından bir arada tutulan oldukça kristalli, grafit bir yapıya dönüştürür. Dönüşüm sıcaklığı ve süresi ne kadar yüksek olursa, amorf karbon o kadar kristalize karbona dönüşür.
Elde edilen karbon elyaf pürüzsüz bir yüzeye sahiptir ve bu nedenle yapıştırıcıların / reçinelerin yüzeye yapışması zordur. Yüzeyinin bir aşındırma işlemi (elektrokimyasal, plazma, güçlü asitler, vb.) ile daha pürüzlü ve daha reaktif hale getirilmesi gerekir. Karbon elyafı korumak, sonraki işlemlere hazır hale getirmek için yağlamak ve kompozit reçineler ile bir arayüz görevi görmek için yüzeyi aşındırılmış karbon elyafa bir yüzey kaplaması (sizing) uygulanır.
Son olarak, elde edilen karbon elyaf belli bir ağırlık veya uzunluğa göre bobin veya makara olarak adlandırılan tüpler üzerine sarılır.