УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА

основе пеков,
на основе гидратцеллюлозы (вискозные волокна).

Свойства волокон зависят от
исходных

материалов
параметров технологических процессов производства

стадий:

Окисление при температуре 200 – 300ос в воздушной среде
Карбонизация волокна

при температуре 1000 – 1500ос в нейтральной среде

Графитизация при температуре 2000 – 3000ос в нейтральной среде.

Последняя стадия – графитизация проводится только при производстве высокомодульных волокон.

из углеродной скелетной молекулы с углеродазотными боковыми группами:

СН2 СН2 СН2
\ / \ / \ / \ /
СН СН СН СН
   
CN CN CN CN

МОКРЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА (ПАН)

Растворение исходного полимера

Пультрузия

Промывка

Вытяжка

Сушка

I. ПОЛУЧЕНИЕ «БЕЛОГО ВОЛОКНА»

параметры окисления: температура, время и ориентационное вытягивание.
Температурные режимы окисления:

мягкий (< 220 С), средний (220-250 °С) и жесткий (> 250 °С).

О О О О
/ \ / \ / \ / \
С С С
\ / \ / \ / \ /
CH CH CH CH
   
С С С С
/ \\ / \\ / \\ / \\
а) N N N

  О О О
  
C C C
\ / \ / \ / \ /
CH CH CH CH
   
С С С С
/ \\ / \\ / \\ / \\
б) N N N

 
CH2 CH2 CH2
\ / \ / \ / \ /
CH CH CH CH
   
С С С С
/ \\ / \\ / \\ / \\
в) N N N

При окислении ПАН-волокна на воздухе:
происходит реакция циклизации,
взаимодействие между полимером и кислородом среды.

При этом могут существовать три независимые структуры окисленного ПАН-волокна: а), б) и в).

дезориентация его структурных элементов.

Нарушение ориентации во время окисления отрицательно сказывается

на образовании структуры углеродного волокна при карбонизации, в результате происходит снижение его прочности.

Что бы избежать потери прочности в процессе температурной обработки волокна применяют вытяжку.

На стадии окисления происходит основная потеря массы волокна. Летучими продуктами термического распада являются NH3, HCN, N2, СО2, СО, Н2О, СН4.

оС).

процессами происходят структурные преобразования углерода:
ароматизация углерода, образование систем сопряженных связей,
увеличение

доли sp2-гибридных форм углерода,
образование и рост графитовых плоскостей.

Три стадии карбонизации:
при температуре 200-600 °С протекают наиболее важные химические превращения с выделением летучих NH3; HCN; N2; СО2; СО; Н2О; СН4;
при температуре 400-1200 С формируются основные элементы структуры углеродного волокна – образование и рост графитовых плоскостей;
при температуре >1200С происходят преимущественно физические изменения, связанные с совершенствованием структуры углеродного волокна, переход линейных форм углерода в графитоподобные, формируются физико-механические свойства волокна

Рабочая среда: азот, аргон или гелий.

Содержание углерода в карбонизованном волокне 95%

углеродного волокна и как следствие на его механические и теплофизические

свойства.

Плотность, модуль упругости и коэффициент теплопроводности возрастают с увеличением температуры обработки.

Содержание углерода в графитированном волокне более 99 %, в карбонизованном не более 95 %.

уменьшение других гибридных форм, переход линейных форм углерода в графитоподобные.

Результатом этих превращений являются увеличение размеров базисных лент, турбостратных кристаллов, совершенствование фибрилл и изменение физико-механических свойств волокна.

Графитизация волокна производится при температуре 1800-3000°С.

Рабочая среда: азот, аргон

Содержание углерода в графитизированном волокне > 99 %,

термообработки (УВ на основе ПАН)

Зависимость модуля упругости от температуры термообработки

(УВ на основе ПАН)

каменного угля или нефти (например при получении металлургического кокса):
каменноугольный

пек
нефтяной пек
Преимущества пеков в качестве источников сырья для углеродных волокон:
высокое содержание углерода и высокий выход коксового остатка,
низкая стоимость и доступность.
Недостаток пеков:
содержание значительных количеств канцерогенных веществ, что требует дополнительных мер безопасности при получении углеродного волокна
недостаточно высокий уровень физико-механических характеристик
По структуре пеки подразделяются на:
на изотропные
мезофазные (жидкокристаллические).
Изотропные пеки представляют собой смесь органических соединений различного состава и строения.
Жидкокристаллические пеки имеют упорядоченную структуру и характеризуются невысоким содержанием летучих веществ. Наиболее качественное волокно получают из жидкокристаллических (мезофазных) пеков.

Основные стадии при получении углеродного волокна из пека:
подготовка пека - получение мезофазы;
прядение волокна из расплава;
длительное отверждение при сравнительно низких температурах;
карбонизация в атмосфере инертного газа;
графитизация под нагрузкой при высокой температуре.

И ПЕКА
Схема процесса производства углеродного волокна:
а) из ПАН-волокна;
б)

на основе пека.

из жидкокристаллических пеков:

а - изотропный расплав;
б - жидкокристаллическая мезоморфная фаза;
в - ориентированное волокно.

водорода и кислорода, что оказывает влияние на выход конечного продукта

- углеродного волокна.

Три основные стадии процесса получения углеродного волокна на основе вискозы:
низкотемпературная стабилизационная термообработка в среде воздуха при температуре 400С,
карбонизация при 1300 С,
графитизация с вытяжкой волокна при 2800 - 3000 °С.

исходного волокна, усугубляющейся термообработкой.
низкая плотность, поэтому по удельным значениям

механических свойств (отношение прочности и модуля упругости к плотности) они превосходят многие известные волокна и материалы.