Het oeroude koolstof

Reacties zijn gesloten

Koolstof is vandaag de dag niet meer weg te denken in de moderne industrie. Van de ruimtevaart (NASA) tot de lichtgewicht carbonfietsen die tegenwoordig zo populair zijn, koolstof is onmisbaar. Toch is koolstof al oeroud. In de prehistorische oudheid werd het namelijk al gebruikt. De prehistorische mens ontdekte dat als je hout verhit in een zuurstofarme omgeving er houtskool overblijft.  Zo’n andere fysieke verschijningsvorm van een stof heet een allotroop. Net als houtskool zijn diamant en grafiet ook allotropen van koolstof.
In de jaren tachtig is nog een andere allotroop ontdekt, de zogenaamde fullereen. Fullerenen zijn  synthetische holle structuren die worden toegepast in de nanotechnologie. Diamant is een van de hardste natuurlijke mineralen.  Het is ontstaan doordat de koolstof  binnenin de diepe kern van de aarde kristalliseerde onder enorme druk en grote hitte.

Eigenschappen

Grafiet is een van de zachtste vaste stoffen en ontstaat door koolstof samen te persen. Het is een goede elektriciteitsgeleider en bestaat uit lagen die soepel over elkaar heen glijden. De sterkte binnen een laag is erg groot.  Koolstofvezel is goed bestand tegen extreme hitte en heeft een hoge stijfheid en treksterkte. Bovendien oxydeert het niet als het in contact komt met water en zuurstof. Al deze eigenschappen zorgen er voor dat carbonvezels uitermate geschikt zijn voor het vervaardigen   van materialen  waar een laag gewicht gecombineerd met  hoge sterkte en stijfheid belangrijk is.  Je kan hierbij denken aan sportartikelen, rolstoelen,  toepassingen binnen de lucht- en ruimtevaart en de auto industrie.

Van duizenden hele dunne koolstofvezels (ook wel carbonvezels genoemd – carbon is het Engelse woord voor koolstof) wordt garen gemaakt. De vezels hebben een doorsnee van 5-10 micron, nog dunner dan een menselijke haar.  Een micron is 1/1000 van een millimeter.

Pyrolyse

De carbonvezels zijn in feite acrylvezels die door middel van pyrolyse zijn verkoold. Pyrolyse is het proces waarbij organisch materiaal wordt ontleed onder zeer hoge temperaturen  zonder dat er zuurstof bij komt.  Alle stoffen verdwijnen zo uit het materiaal, behalve de koolstof. Hierbij geldt dat hoe hoger de temperatuur, hoe sterker de draad of garen.  Koolstofvezels die worden gebruikt in de ruimtevaart zijn verhit met temperaturen van 3000 graden.  Na de pyrolyse worden de draden in bundels samengevoegd. Hoe meer draden in een bundel, des te sterker de bundel wordt. Zit een draad eenmaal in een bundel dan wordt hij filament genoemd. De sterkte van een bundel wordt dan aangegeven met het aantal filamenten per bundel.

Hars

Het koolstofgaren dat zo is ontstaan, wordt geweven tot matten. Door in bepaalde patronen te weven, bijvoorbeeld visgraat of diamant of meer in lijnen, krijg je weefsel met verschillende eigenschappen. Behalve weven kunnen koolstofdraden ook door de hars worden gehaald, de draden zijn dan strak naast elkaar gelegd zodat een plaat ontstaat. Omdat er alleen maar verticale draden zijn, is de treksterkte erg hoog.