C/Koolstof

Toepassingen

Water- en luchtzuivering

Als actieve kool speelt koolstof een grote rol bij de zuivering van water en lucht. Het betreft uiterst fijne koolstofdeeltjes die een zeer groot specifiek oppervlak hebben, tot wel 2000 vierkante meter per gram koolstof. Actieve kool heeft een bijzonder grote adsorberende werking en om die reden wordt het op grote schaal toegepast. Het is te vinden in uiteenlopende toepassingen als waterfilters, gasmaskers en installaties voor de zuivering van voedingsmiddelen en van chemische en farmaceutische producten. In de vorm van de bekende zwarte tabletten is actieve kool geschikt voor maagzuivering.

Roet in autobanden

Roet, gevormd door onvolledige verbranding van koolwaterstoffen, bestaat uit koolstofdeeltjes met een grootte van ongeveer 20 tot 300 nanometer. Als toevoeging aan het rubber van autobanden zorgt het voor een vergroting van de slijtvastheid en de stevigheid. Per autoband wordt wel 3 kg roet toegevoegd; de productie van roet bedraagt dan ook vele miljoenen tonnen per jaar. Het is ook te vinden in andere rubberproducten zoals drijfriemen en afdichtingsringen.

Staal en gietijzer

Koolstof is een belangrijk legeringselement voor ijzer. Het vergroot de sterkte en de hardheid. Gietijzer bevat doorgaans enkele procenten koolstof. Bij een aandeel van minder dan twee procent koolstof spreekt men van staal.

Diamant

Diamant is koolstof met een tetraëdrische kristalstructuur. Vanwege de hoge hardheid wordt het toegepast in boorkoppen, bijvoorbeeld voor aardoliewinning en tunnelbouw. Je vindt ook diamanten in allerlei soorten snijapparatuur zoals glassnijders en steenzagen. Het zijn geen geslepen diamanten zoals in sieraden, maar minuscule diamantsteentjes – een soort ‘diamantgruis’. Het gaat ook lang niet altijd om natuurlijke diamanten. Er zijn verschillende processen ontwikkeld om synthetisch diamant te produceren voor industriële toepassing.

De zeer hoge brekingsindex van diamant heeft het materiaal tot “a girl’s best friend” gemaakt. Als een vakman een ruwe diamant goed heeft geslepen, dan weerkaatst het invallende licht vele malen binnen in de diamant voordat het op de geslepen vlakken uittreedt. Hierdoor ontstaat de bijzondere schittering die diamant zo aantrekkelijk maakt voor sieraden.

Ook voor deze toepassing is “namaakdiamant” beschikbaar. Uit koolstof en silicium is een zeer hard kristal te bereiden dat net als diamant te slijpen is. Het heeft een iets diepere glans dan diamant, is iets minder hard en bovenal vele malen goedkoper. Het wordt wel Moissanniet genoemd, naar de Franse scheikundige en Nobelprijswinnaar Ferdinand Frederick Henri Moissan (1852 – 1907). Die ontdekte de siliciumkoolstofkristallen in 1893 bij materiaalonderzoek aan fragmenten van de Canyon Diablo Meteorite in Arizona (USA).

Grafiet: potloden, smeermiddelen en koolborstels

De dunne zwarte stift aan de binnenzijde van potloden bestaat uit grafiet. Van de gelaagde koolstofstructuur van het grafiet breken bij het schrijven dunne, microscopische schilfers af, die zich aan het papier hechten.

Grafiet wordt vanwege de schilferende eigenschap ook toegepast in smeervetten en smeermiddelen voor industrieel gebruik. De bekende kruipolie voor thuisgebruik bevat grafiet. Vanwege de elektrische geleiding wordt grafiet gebruikt als contactmateriaal bij bewegende onderdelen (koolborstels).

Grafeen

In 2004 maakten de Russisch/Nederlandse natuurkundige Andre Konstantinovitsj Geim (1958) samen met zijn promovendus Konstantin Sergejevitsj (1974) grafeen, een nieuwe verschijningsvorm van koolstof. Ze haalden met behulp van plakband een dun laagje van grafiet af en herhaalden dit tot het laagje nog slechts één atoomlaag dun was. Onder de de elektronenmicroscoop bleek dat ze daarmee grafeen in hadden gekregen: een moleculair soort kippengaas met de dikte van één koolstofatoom. Grafeen is een sterk materiaal met bijzondere elektrische en optische eigenschappen. Het onderzoek aan dit unieke materiaal heeft sinds 2004 een hoge vlucht genomen en er wordt veel van verwacht op uiteenlopende gebieden, van elektronica tot sensortechnologie en zonnecellen.

Benzine, olie, aardgas

Alle fossiele brandstoffen zoals kolen, aardolie en aardgas zijn gevormd uit plantaardig materiaal en bevatten koolstof of koolwaterstoffen. Van aardolie worden door destillatie of door kraken en destillatie diverse aardolieproducten verkregen, zoals benzine, kerosine, dieselolie, smeerolie, paraffine en asfalt. Tevens worden uit aardolie veel (half)producten gemaakt voor de chemische en farmaceutische industrie.

Kunststoffen

Je zou kunnen zeggen dat we vandaag de dag in het kunststof tijdperk leven: kunststoffen (ook plastics genoemd) zijn niet meer weg te denken uit onze samenleving. Eerst werden ze ontwikkeld als vervanger van bestaande materialen. Inmiddels zijn kunststoffen beschikbaar met unieke combinaties van eigenschappen. Ze maken constructies en productvormen mogelijk die met geen enkel metaal of andere materialen te realiseren zijn. De technologische vooruitgang op gebieden als de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie, de sport, de geneeskunde en de informatietechnologie zou zonder deze nieuwe materialen onmogelijk zijn geweest.

Kunststoffen zijn opgebouwd uit lange en soms ook vertakte molecuulketens, de polymeren. In vrijwel alle gevallen is koolstof in deze ketens het overheersende element. De belangrijkste grondstoffen voor kunststof (de monomeren) zijn kleine koolwaterstofmoleculen verkregen uit de verwerking van aardolie.

Kunstvezels, synthetisch textiel

Kunstvezels zijn kunststoffen die tot draden zijn gesponnen. Daarmee zijn op dezelfde manier als natuurlijke vezels (wol en katoen) textielproducten te maken. Denk aan kleding, gordijnen en vloerbedekking. Vaak worden synthetische vezels samen met natuurlijke vezels verwerkt om optimale product eigenschappen te krijgen.

Een aantal belangrijke vezels zijn:

• Nylon – wordt toegepast in sokken, kousen, panty’s, lingerie, sport- en badkleding, gordijnen, meubelbekleding, tapijt, skikleding, regenkleding en veiligheidsgordels.
• Polyetheentereftalaat (PET) – is te vinden in kostuums, rokken, vitrages, ski-jacks, aandrijfriemen, zeildoek, gordijnen, veloursstoffen en overhemden.
• Polyacrylonitril (PAN of gewoonweg acryl) – vind je in vesten, truien, sokken, imitatie-bont, zonwering, gordijnen, dekens, stof voor tuinstoelen en tafelkleden.

Ook de kunststoffen polyvinylchloride (PVC) en polyetheen (PE) zijn tot vezel te verwerken en kunnen dan gebruikt worden voor bijvoorbeeld autobekleding, dekzeilen, gordijnstoffen, (isolerende)kleding, waterdichte visserskleding, tapijt, visnetten en touw.

Supersterke vezels

Supersterke vezels zijn kunststofvezels die pas bij een zeer hoge belasting breken. Ze zijn vele malen sterker en vele malen lichter dan staal. De supereigenschappen ontstaan door de polymeermoleculen zo ‘op te rekken’ dat ze zoveel mogelijk parallel lopen. Hierdoor nemen de onderlinge krachten tussen de moleculen (de vanderWaalskrachten) sterk toe. Bekende supervezels zijn Kevlar® (van DuPont de Nemours), Twaron® (ontwikkeld door AkzoNobel, nu van  Teijin Aramid) en Dyneema® (van DSM). Deze vezels zijn gebaseerd op koolstofhoudende polymeren.

De vezels zijn te vinden

• in kabels en touwen, vislijnen en -netten
• in beschermende kleding, zoals snijbestendige handschoenen, kogelwerende vesten, bepantsering voor o.a. politieauto’s, beenbeschermers voor shorttrackschaatsers, enz.
• ter versterking van autobanden, in remvoeringen, koppelingsplaten, en afdichtingsringen
• voor lichte, zeer stevige constructies, o.a. in vliegtuigbouw en ruimtevaart (als zogenoemde composieten: gecombineerd met andere materialen, waarbij de vezel dient ter versterking van de andere materialen)
• in de sport: voor de bouw van zeer lichte jachten, zeilen, ski’s, vishengels, tennisrackets, kleding en handschoenen bij het schermen, enz.

Koolstofvezels

Vezels van uitsluitend koolstof zijn in feite de eerste supersterke vezels. Ze worden gemaakt door polymeervezels (meestal polyacrylonitril) bij zeer hoge temperatuur (tot 2000 ºC) te graffitiseren, waarbij onderling verbonden koolstofketens ontstaan. Koolstofvezels dienen vooral ter versterking van andere kunststoffen. De vezelversterkte kunststoffen worden ook wel composieten genoemd. Ze maken producten mogelijk die licht, maar toch sterk en buigzaam zijn. Zoal voor in de lucht- en ruimtevaart en in lichte, sterke carrosserieonderdelen bij racemotoren en formule-1-auto’s. Ook in sporten waar vermindering van het gewicht van groot belang is, vinden koolstofvezels toepassing. Denk aan ski’s, tennisrackets, golfclubs en racefietsen.

Meer toepassingen

Als element

• Booglampen
• Elektrische contacten
• Elektrodemateriaal
• Kleurstof voedingsmiddelen (E153)
• Moderator in kernreactoren
• Cokes in hoogovens (ijzerproductie)
• Pigment inkt, verf, papier, kunststoffen, beton, keramiek
• Sigarettenfilter
• Toner voor kopieerapparatuur en laserprinter

In verbindingen