ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основные условия карбонизации из "Углеводородные и другие жаростойкие волокнисты материалы" Основными параметрами процесса карбонизации, влияюш,ими на качество углеродного волокна, являются среда, температурновременные режимы Т—т) и степень вытягивания. [c.187] Влияние среды. Карбонизации может подвергаться предварительно окисленное волокно, а также волокно, не подвергавшееся окислению. Процесс может проводиться в окислительной, восстановительной и нейтральной средах. [c.187] Окислительной средой служит кислород воздуха, восстановительной— водород, нейтральной — азот или аргон. В табл. 3.7 приведены данные о влиянии среды при карбонизации на модуль Юнга графитированного волокна [19]. Образцы 1—3 представляли собой промышленное волокно куртель, образцы 4—8 — то же волокно, подвергнутое дополнительному 100%-ному вытягиванию при 100 °С. [c.187] Скорость нагревания при карбонизации составляла 0,5°С/мии. Из сравнения значений модуля Юнга образцов 1—3 видно, что наименее благоприятной является восстановительная среда. Карбонизация образцов 5, 6 и 8 проводилась на первой стадии в окислительной или восстановительной среде, а на второй — в инертной (аргон). Использование на низкотемпературной стадии (до 400— 450 °С) окислительной среды позволяет получить волокно с высоким модулем Юнга. Замена воздуха водородом вызывает резкое снижение значения модуля. Процесс термической обработки образцов 4 и 7 осуществлялся в нейтральной среде. Несколько неожиданным оказался тот факт, что при проведении процесса в аргоне вместо азота получается волокно с более высоким модулем. Видимо, в этом случае имеет значение не природа защитного газа, а наличие примесей кислорода, содержание которого в азоте, вероятно, было больше. [c.188] Среда оказывает влияние на прочность углеродного волокна. В том же патенте [19] приводятся данные, согласно которым при карбонизации в определенных условиях неокисленного волокна в аргоне получено углеродное волокно с прочностью 119 кгс/мм , а если на первой стадии процесс проводился в среде водорода (до 430°С), а затем в аргоне, то прочность углеродного волокна составляла 168 кгс/мм . [c.188] В качестве среды для карбонизации кроме инертного газа и водорода могут быть использованы НС1, углеводороды и галоид-производные углеводородов [88]. [c.188] Для получения высокопрочного высокомодульного волокна с небольшим диаметром карбонизация окисленного ПАН-волокна проводится в инертной среде [89], содержащей пары воды (0,5— 20 объемн. %). В среде водяного пара происходит травление волокна, в результате которого диаметр волокна уменьшается в 3 раза по сравнению с волокном, изготовленным в обычных условиях. [c.189] При карбонизации в присутствии водяных паров получено углеродное волокно с прочностью до 200 кгс/мм и модулем Юнга ЗЫО кгс/мм при отсутствии водяных паров — с прочностью 160 кгс/мм и модулем Юнга 25-10 кгс/мм . [c.189] Температурно-временные режимы карбонизации. Температурно-временные режимы карбонизации имеют исключительно важное значение, так как во многом они определяют качество углеродного волокна. Как указывалось выше, при карбонизации протекают сложные химические и структурные превращения ПАН и образуется определенная структурная форма углерода. Графит по сравнению с другими переходными формами углерода термодинамически наиболее устойчив эта форма углерода соответствует минимальному значению свободной энергии или максимальному ее изменению (уменьшению) в процессе термического преобразования углерода. Однако такому переходу препятствует ряд моментов и прежде всего труднопреодолимые кинетические барьеры. Реальные углеродные волокна представляют собой неравновесные термодинамически неустойчивые системы, однако вследствие высоких кинетических барьеров эти системы необычайно стабильны и могут существовать неопределенно длительное время. В процессе получения углеродного волокна углерод из неравновесного состояния стремится перейти в равновесное состояние. Чем медленнее протекают процессы превращения углерода, тем более благоприятные условия создаются для образования совершенной его структуры (увеличение степени ароматизации, рост и ориентация кристаллов, снижение дефектности структуры и др.), определяющей свойства волокна. Это справедливо при условии, если не происходит окисления углерода следами кислорода, который может присутствовать при проведении реакции. Однако слишком медленные процессы невыгодны по экономическим соображениям из-за снижения производительности оборудования. В подобных случаях выбираются разумные временные режимы, обеспечивающие получение продукта высокого качества при сохранении определенного уровня производительности оборудования. [c.189] Реальные параметры получения углеродных волокон в литературе не приводятся. Обычно в различных источниках даются широкие диапазоны, к тому же самые разнообразные. Приводимые иногда в статьях режимы, установленные в лаборатории, далеки от реальных, применяемых на практике. [c.190] Продолжительность определяется конечной температурой карбонизации и скоростью ее подъема. Как сообщалось выше, конечная температура карбонизации составляет 800—1500°С. [c.190] Применение предварительно окисленного волокна, в котором содержатся циклические структуры, позволяет уменьшить продолжительность карбонизации. К тому же наличие в таком материале химически связанного кислорода облегчает дегидрирование полимера, что в свою очередь приводит к ускорению процесса карбонизации. Согласно патенту [90] карбонизацию при конечных температурах 700—1200 °С можно проводить за 1 ч, в другом патенте [91] рекомендуется ее осуществлять в течение 0,5—4 ч (температура 1000°С). [c.190] В одном из патентов [95] рекомендуется на промежуточных стадиях карбонизации обрабатывать волокно кислотами или смесями кислот, например НЫОз, Н2804, хлорная кислота, царская водка, хромовая смесь. Авторы указывают, что в резу льтате такой обработки прочность волокна повышается в 2—4 раза (табл. 3.8). Наибольший эффект достигается, если карбонизацию прервать при 500 °С. Обработка кислотами волокна, подвергнутого карбонизации при более высоких температурах, положительного эффекта не дает. Полученные результаты представляют интерес, однако практического значения, по-видимому, не имеют из-за необходимости прерывать процесс и трудоемкости операции обработки кислотами. Кроме того, после обработки материала для удаления кислоты требуется вводить еще одну дополнительную операцию. [c.191] Вернуться к основной статье