Графитация углеродного волокна

Основные закономерности процесса графитации углеродного волокна [c.285]

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА И ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ГРАФИТАЦИИ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА [c.115]

Закономерности графитации углеродного волокна рассмотрены в работе А. С. Фиалкова и сотр. [96 . Авторы определяли изменение значений Ьа, Ьс, (1ш, плотности, степени графитации по интенсивности отражения рентгеновского излучения от плоскостей Л 2/Лю. Полученные результаты представлены на рис. 2.29. Хорошо [c.116]

ГРАФИТАЦИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА [c.192]

Дальнейшее упорядочение, рост размеров кристаллитов в углеродных волокнах достигается в процессе их прокаливания и графитации, что приводит к упрочнению углеродных волокон и регулируемому изменению всех других свойств новой разновидности нефтяного углерода. О направлении использования углеродных волокон изложено в работе 97]. [c.115]

Обычно углеродные волокна высокой прочности получают при температуре карбонизации 1000 - 1500 С, они имеют модуль упругости 2250 -2350 Н/мм . При 2000 - 3000°С за счет процесса графитации могут быть получены волокна с более высоким модулем упругости. [c.70]

Углеродные волокна [27, 28]. Процесс получения углеродных волокон из органических волокон состоит из двух основных стадий карбонизации при 900 —1500° С и графитации при 2600—2800° С. В зависимости от типа исходного сырья, которое подвергается карбонизации, углеродные волокнистые материалы могут быть получены в форме нити, жгута, войлока, ленты, ткани. Волокна делятся на изотропные и анизотропные. Анизотропные волокна получают из высокоориентированных материалов с развитой системой фибрилл. Фибриллы углеродного волокна образованы турбостратными кристаллитами, которые связаны друг с другом через базисные плоскости аморфным углеродом. В изотропном углеродном волокне, которое изготавливается из фенольной смолы или нефтяных пеков, размеры [c.27]

Углеродные волокна, используемые в композициях со смолами для изготовления армированных пластиков, характеризуются высокой разрывной прочностью и жесткостью. Их получают из специальных марок полиакрилонитрильных волокон путем трехступенчатой термической обработки по строго определенному режиму во все более жестких условиях. На первой стадии полиакрилонитрильное волокно нагревают на воздухе при температуре 200—300°С, одновременно вытягивая его для поддержания высокой степени ориентации макромолекул. Окисленное волокно подвергают карбонизации в атмосфере инертного газа с повышением температуры до 1500 °С и в заключение проводят графитацию волокна при температуре до 2500—3000 °С. Природа протекающих при этом химических реакций сложна и пока еще плохо изучена. На первой стадии в полимер вводится кислород и волокно становится устойчивым к термической деструкции. Для этого промежуточного материала было предложено несколько структур, большинство которых основано на представлении об образовании многоядерной системы лестничного типа с непрерывным увеличением числа сопряженных двойных связей (и, следовательно, углублением окраски) в ходе окисления. В состав этой системы входят звенья 85 —87. [c.352]

Карбонизация окисленного волокна сопровождается отщеплением воды, аммиака и синильной кислоты. Полученный полимер нерастворим во всех растворителях, что еще более затрудняет исследование его структуры. Полагают, что на этой стадии происходит агрегация колец с образованием прочных низкомодульных волокон, в которых углеродный скелет имеет почти плоскую форму. Даже при температуре 1000 °С волокно сохраняет небольшое количество азота и водорода однако при более высоких температурах они полностью отщепляются. Графитация карбонизованного полимера вызывает его дальнейшую перегруппировку, в результате которой получается кристаллит, имеющий сетчатую структуру, подобную структуре графита. Углеродные волокна, близкие по свойствам к описанным выше, можно также получить путем регулируемого пиролиза целлюлозных волокон. Наиболее прочное сцепление со связующим при изготовлении армированных пластиков достигается в случае, когда поверхность углеродного волокна подвергают предварительной химической активации, т. е. регулируемому окислению воздухом или концентрированной азотной кислотой для образования карбонильных или карбоксильных групп. [c.353]

Процессу превращения полимеров в углерод присущ ряд особенностей. Из литературы известно, что карбонизация (графитация) может совершаться за очень короткое время, исчисляемое минутами или долями минуты. Уже сам по себе факт перехода от органического к углеродному волокну за столь короткое время — фактически при тепловом ударе — заслуживает особого внимания. Сочетание малых времен с высокой температурой вызывает необходимость новых решений проблем кинетики термического распада полимеров. [c.257]

В структурном отношении углеродные волокна из мезофазных пеков представляют большой интерес, однако волокна с высокими механическими свойствами получаются только при очень высоких ТТО, что практически трудно выполнимо. Приводимый многими авторами довод о существенных преимуществах этого волокна перед другими в связи с проведением графитации без вытягивания не состоятелен, так как в инженерном плане операция вытяжки не вызывает затруднений. При практически приемлемых ВТО получаются ПВ по свойствам, уступающие УВ-ПАН и находящиеся на одном уровне с УВ-ГЦ. [c.291]

Карбонизация и графитация волокон проводятся при строго регулируемых температурно-временных режимах в инертной среде на стадии карбонизации в ряде случаев применяются катализаторы. Строгое соблюдение условий термической обработки является необходимой предпосылкой получения высококачественного и стандартного углеродного волокна. [c.14]

Карбонизация и графитация являются основными, но не единственными стадиями получения углеродных волокон. В зависимости от вида сырья в технологический цикл включаются другие операции. Иногда исходное волокно подвергается предварительному окислению, которое существенно влияет на механические свойства углеродного волокна для удаления примесей волокно специально обрабатывается. В технологический цикл получения углеродного волокна могут быть включены текстильная подготовка исходного волокна, текстильные операции на отдельных технологических переходах. [c.14]

Механические свойства углеродных волокон определяются структурой переходных форм углерода (см. гл. 1). На структуру, а следовательно, и свойства углеродного волокна влияют природа полимера, характер промежуточных продуктов, образующихся в процессе пиролиза, условия карбонизации и графитации. Существенное влияние на прочность и модуль Юнга оказывает структура волокнистых форм углерода. [c.15]

В ряде работ рассматриваются закономерности карбонизации и свойства углеродных волокон, полученных на основе волокон фортизан и ВХ. В патентах [10, 11] описывается переработка (карбонизация и графитация) вискозного корда и волокна фортизан. Процесс осуществляется в двух вариантах на жестких паковках и в свободном состоянии. В последнем случае волокно претерпевало усадку. Применялся корд толщиной 122 текс/720 и волокно фортизан толщиной 122 текс/480 и 100 текс/500. Согласно патенту [10] из корда получено углеродное волокно с прочностью 70—79 кгс/мм а из волокна фортизан толщиной 100 текс/500— с прочностью 33—37 кгс/мм . Прочность углеграфитового волокна, полученного из волокна фортизан, выше, чем полученного из корда, но так как показатели в обоих случаях были очень низкие, нельзя сделать какой-либо вывод о преимуществе того или иного вида исходного волокна. Следует отметить, что переработка волокон проводилась в одинаковых условиях, тогда как, учитывая существенное различие в структуре и свойствах, для каждого из них, вероятно, необходимо подбирать оптимальные режимы. [c.44]

Графитация — стадия технологического процесса, на которой углеродное волокно (ткани) подвергают высокотемпературной обработке. Начальная температура графитации определяется конечной температурой карбонизации и находится в пределах 900— 1500 °С конечная — в пределах 2600—2800 °С. Процесс графитации связан с использованием сложного оборудования и с большими энергетическими затратами. При обычном, омическом обогреве коэффициент полезного действия аппаратов составляет всего лишь несколько процентов, в результате чего стоимость графитированного материала возрастает по сравнению с углеродным. Поэтому в зависимости от требований к материалу и областей его применения конечным продуктом могут быть углеродные и графитированные материалы. [c.115]

В зависимости от конечной температуры обработки углеродное волокно содержит 91—98% углерода, немного кислорода и водорода. В процессе графитации происходит обогащение волокна углеродом до содержания не менее 99% углерода. Потери массы волокна на этой стадии составляют 5—15°/о, при этом, если волокно находится в свободном состоянии, оно претерпевает усадку, составляющую 3 —6%. Точные данные о составе газообразных продуктов не приводятся указывается на выделение углеводородов. Поскольку в углеродном волокне содержится кислород, то надо полагать, что образуется также СО. [c.115]

Основными параметрами графитации являются среда, продолжительность, температура. Графитация проводится в среде аргона. Учитывая высокие температуры, к защитному газу следует предъявлять строгие требования в отношении содержания кислорода. Даже следы кислорода вызывают окисление углеродного волокна и [c.116]

Несмотря на то что углеродное волокно представляет собой жесткую систему, графитация протекает за очень короткое время. По данным патентов [10, 92], скорость нагревания в пределах температур 900—3000 °С составляет 1000—3000 °С/ч. Авторы работы [97] исследовали влияние продолжительности графитации на модуль Юнга. Оказалось, что максимальное значение этого показателя достигается при термической обработке в течение 0,1 с. Дальнейшее увеличение продолжительности термической обработки не оказывает влияния на значение модуля Юнга. Эта зависимость установлена в лабораторных условиях практически время термической обработки больше приведенного значения и, видимо, исчисляется несколькими минутами. За столь короткий промежуток времени протекают структурные превращения, и соответственно изменяются свойства волокна. [c.117]

На начальной стадии развития производства углеродные материалы получались преимущественно в виде тканей и, реже, в виде войлока, шнуров или волокна. Карбонизация ткани проводилась в свободном состоянии, при этом материал претерпевал усадку. Для намотки нитей в ряде патентов описывались различные приспособления намотанные нити подвергались карбонизации и графитации. В этом случае усадка нитей исключалась, но дополнительному вытягиванию нити не подвергались. Полученные таким способом углеродные волокна независимо от формы материала (ткань, шнур, войлок) имели невысокую степень ориентации и низкие механические показатели. Прочность волокна не превышала 70—80 кгс/мм , а модуль Юнга равнялся Б-Ю —б-Ю кгс/мм . [c.117]

Существует четко выраженная корреляция между прочностью и кристалличностью, а также ориентацией графитированного волокна. Исходное углеродное волокно на рентгенограммах дает аморфное гало. В процессе графитации под натяжением на рентгенограммах появляются рефлексы, характерные для графита, а также происходит ориентация графитовых слоев вдоль оси волокна. В процессе ориентации уменьшается межплоскостное расстояние с/2, приближаясь к значению 3,44 А., характерному для турбостратной формы углерода. [c.120]

В Англии [12] вырабатываются два типа углеродного волокна — высокопрочное и высокомодульное. Высокопрочное, процесс получения которого заканчивается на стадии карбонизации, имеет прочность 280—315 кг /мм и модуль Юнга порядка 25-10 кгс/мм . При графитации высокопрочного волокна возрастает модуль и уменьшается прочность. Полученное волокно, названное высокомодульным, имеет прочность 175—210 кгс/мм и модуль Юнга 35-103—40-103 кгс/мм2. [c.134]

Обычно границей раздела процессов карбонизации и графитации служит конечная температура карбонизации. Эта температура в известной мере условная и по данным различных авторов различна. Помимо температуры существенную роль играет скорость нагревания и продолжительность выдержки в изотермических условиях. В зависимости от этих параметров изменяются свойства углеродного волокна. По Бэкону [77], углеродные волокна получаются при конечных температурах обработки 1000— 1500°С. Однако приводятся и более низкие значения (700— 800 °С) температуры карбонизации. Важнейшим критерием выбора температуры служат требуемые свойства углеродного волокна, которое само является важным техническим продуктом, а также требования к углеродному волокну, предназначенному для последующей графитации. [c.173]

Графитация карбонизованного волокна осуществляется прп очень высоких температурах (до 3000 °С), в инертной среде, обычно азоте или аргоне. На этой стадии еще в большей мере, чем при карбонизации, необходима тщательная очистка защитных газов от следов кислорода, а также применение аппаратуры, исключающей попадание кислорода воздуха в реакционное пространство. В заявке [98] описан способ графитации волокна в печи, засыпанной углем процесс проводится под давлением инертного газа при повышении температуры до 2600 °С со скоростью 2000 °С/ч. В этих условиях получаются графитированные нити с прочностью 246 кгс/мм и модулем Юнга 42-10 кгс/мм . В работе [19] отмечается влияние характера среды при карбонизации на прочность графитированного волокна. Графитация проводилась при 3000°С в течение 1 ч, а карбонизация в одном случае осуществлялась в водороде (до 430 °С) и затем в аргоне (до 1000 °С) в другом случае весь процесс карбонизации проводился в аргоне. Прочность волокна составила 168 и 119 кгс/мм соответственно. Поскольку волокно не подвергалось предварительному окислению, восстановительная среда на первой стадии карбонизации была более активной по сравнению с аргоном и способствовала структурообразованию углеродного скелета и тем самым улучшению свойств волокна. [c.195]

На прочность графитированного волокна влияет продолжительность окисления [75]. Так, например, при окислении в течение 24 ч (температура 220°С, ПАН-волокно толщиной 0,322 текс), последующей карбонизации в инертной среде (1000°С) п конечной температуре графитации 2500°С получено углеродное волокно с прочностью 175 кгс/мм . При уменьщении продолжительности окисления до 2 ч и сохранении прочих условий прочность снижается до 71 кг /мм . [c.197]

О целесообразности и необходимости вытягивания волокна в процессе графитации мнения ученых расходятся. Джонсон и сотр. [97] показали, что в результате вытягивания улучшаются ориентация и механические свойства углеродного волокна и удается достичь одновременного увеличения прочности и модуля волокна. [c.198]

Из анализа литературных данных и патентов следует, что для получения высокопрочного и высокомодульного углеродного волокна на основе ПАН-волокна достаточно вытягивать волокно на стадии окисления карбонизацию можно проводить в условиях, исключающих усадку. В ряде патентов рекомендуется даже давать небольшую усадку (до 10%) или небольшую вытяжку волокна. По мнению Бэкона [77], вытяжку ПАН-волокна достаточно осуществлять на ранних стадиях процесса, графитацию, видимо, можно проводить без вытягивания, только предотвращая усадку волокна. [c.199]

Первоначально применялся наиболее простой периодический способ, обеспечивавший получение углеродного волокна высокого качества (рис. 3.33). Волокно с бобин наматывается на жесткую раму, предотвращающую усадку волокна рама помещается в печь для окисления волокна туда же подается нагретый воздух. Окисленное волокно разрезается и укладывается в формы для дальнейшей обработки. Карбонизация и графитация проводятся в садочных печах. Волокно можно также окислять на бобинах, цилиндрах и других устройствах. К недостаткам периодического способа следует отнести ограниченную длину получаемых жгутиков (около 1 м), низкую производительность оборудования, периодичность нагрева и охлаждения печей карбонизации и графитации. Кроме того, при намотке на жесткую паковку создаются неблагоприятные условия для контакта нити с воздухом внешние слои свободно омываются воздухом, тогда как к внутренним, прилегающим к паковке слоям, доступ воздуха затруднен. Из-за не- [c.200]

Способы обогрева печей карбонизации и графитации аналогичны тем, которые применяются при получении углеродного волокна из вискозного корда (см. гл. 2). [c.205]

Процесс получения УВН на основе ПАН состоит из 3-х стадий окисления, карбонизации и графитации. Предварительное окисление облегчает последующее дегидрирование ПАН-волокна. Особенно важно, что на этой стадии возникают предструктуры, обеспечивающие образование нужной структуры и ценных механических свойств углеродного волокна. [c.59]

КОН, следу ет уменьшить размер кристаллитов, имеюших более совершенное строение. В качестве технологических приемов, придающих углеродным волокнам дополнительную жесткость и прочность, используют легирование их бором с помощью диффузии из газовой фазы, облучение волокон нейтронами в атомном реакторе, введение в них перед пиролизом буры, а также вытягивание в процессах окисления и графитации. [c.71]

МСС УВ с СиС1г, Ni и 0 I2 образуются в виде смесей I и II ступеней. Характерно, что бор в углеродном волокне, вызывая его текстурирование при графитации, не способствует этому процессу при внедрении хлоридов металлов (табл. 6-15). Значительная часть солей не образует МСС УВ, а заполняет поры, по данным рентгеноструктурного анализа. [c.316]

Приемлемая схема структурных преобразований ГЦ-волокна приведена на рис. 9-67. Согласно схеме из целлюлозы при пиролизе формируется остаток из четырехатомных звеньев, образующих зигзаги. Расположение этих звеньев генетически закладывает формирование последующей надмолекулярной структуры углеродного волокна, которая возникает выше 400 С. Принудительное вытягивание упомянутых звеньев приводит к увеличению надмолекулярной ориентации углеродных волокон. Вместе с увеличением степени ориентации снижается их усадка по длине при графитации. При нагревании до 2500"С усадка волокна в направлении, перпендикулярном оси волокна, более чем в 4 раза выше по сравнению с изменением размера вдоль оси. Это свидетельствует об образовании микротекстуры, состоящей из углеродных пачек (рис. 9-66). [c.623]

В зависимости от конечной температуры обработки и способности материала упорядочивать свою структуру различаются карбонизованные углеродные материалы и графитированные. Карбонизованный материал — это углеродный материал, прошедший термообработку до температуры начала графитации и, следовательно, обладающий паракристалли-ческой или турбостратной структурой (определение структуры см. в гл. II). Под искусственным графитом понимается углеродный материал, прошедший термическую обработку до температуры выше начала образования кристаллической структуры. Эта температура изменяется в широких пределах в зависимости от способности того или иного углеродного материала трехмерно упорядочивать свою структуру. Некоторые углеродные материалы не обладают такой способностью, и их структура остается турбостратной при нагреве до 2700 °С и даже выше. Так, практически не графитируются коксы из термореактивных смол (стеклоуглерод), углеродные волокна, некоторые виды саж. [c.11]

Процесс получения углеродных волокон из органических веществ состоит из двух стадий карбонизации при температуре 900-1500 С и фафитации при 2600-2800 С. Углеродные волокна делятся на изотропные и анизотропные. Анизотропные волокна получают из высокоориентированных материалов с развитой системой фибрилл. Фибриллы углеродного волокна образованы турбостратными кристаллитами, которые связаны друг с другом через базисные плоскости аморфным углеродом. В изотропном углеродном волокне, которое изготавливается из фенольной смолы или нефтяных пеков, пакеты организованного углерода несколько меньше по размерам и образуют лентоподобные структуры. Углеродные волокна имеют плотность 1,3-1,7 г/см и удельную поверхность до 1000 м г. Графитация волокон приводит к повышению плотности, снижению удельной поверхности и уменьшению удельного сопротивления. Химическая устойчивость волокон в серной и азотной кислотах выше, чем фафита. Графитация снижает химическую устойчивость волокон, но повышает их стабильность к кислороду воздуха. [c.11]

Углеродные волокна получают из полнакрилонитрильных и гидрат-целлюлозных материалов путем окисления, карбонизации в защитной атмосфере и термической обработки вплоть до графитации. [c.215]

Изучение влияния нагрева углеродного волокна в никелевой матрице при температуре 1100° в течение суток на структуру волокна показало [145, 146], что в этих условиях происходит дальнейшая графитация волокна. При термообработке композита углеродное волокно — никелевая матрица в течение 100 час. при 1200° наблюдались морфологические изменения в волокне, приводящие к появлению шероховатости на его поверхности и спеканию соседних контактирующих волокон [148]. Аналогичные изменения имели место при циклическом нагреве от 50 до 1100° в течение суток, что позволило авторам [148] сделать вывод о связи разрушения волокна, наблюдавшегося в работах [145, 147], с воздействием на него паров никеля. В работе [145] высказано предположение о возможном влиянии на свойства волокна процессов растворения углерода в никеле и последующего его осаждения. Сравнительное исследование никелевых композитов показывает, что композиты с углеродным волокном более устойчивы, чем с борным или карбиднокремниевым в свою очередь, углеродные волокна на основе гидратцеллюлозных волокон более устойчивы, чем волокна, полученные пиролизом ПАН-волокон. [c.181]

Обнаруженные различия в поведении волокон объясняются, видимо, разницей в конечных температурах термообработки при их получении. Исследования, проведенные в работе [203], показали, что при совместной карбонизации углеродного волокна и полимерной матрицы изменения в структуре матрицы отличаются от изменений, происходяших при карбонизации того же полимера в отсутствие волокна. В частности, графитация матрицы может быть вызвана высокой концентрацией напряжений на границе матрица—волокно вследствие различия в усадке смолы и волокна в ходе пиролиза в интервале температур 400— 1000°. [c.192]

Карбонизация проводится при 1000—2000 °С в течение 5—60 мин, графитация — при 2800—3000 °С. Основная потеря массы ПВ в отличие от большинства полимеров происходит в довольно широкой области температур (400—700 °С). Выход углеродного волокна при ТТО 1000 °С составляет 87%. Предварительная окислительная обработка ПВ благоприятно сказывается на выходе УВ. Графитированное волокно, полученное без вытягивания, имеет высокую ориентацию (<р/2 5°), большие размеры кристаллитов, малое значение rfoo2, высокую плотность отмечается наличие трехмерных элементов структуры в волокне [12L 125, 136]. [c.290]

Аналогия между электрическими свойствами стеклоуглерода, а также других углеродных материалов [45] и углеродных волокон навела на мысль, что последние представляют собой неграфитирующуюся форму углерода. Наиболее четко различие между углеродными волокнами и графитирующими-ся формами углерода проявляется при сравнении термо-эдс этих материалов. Для гомо-генно-графитирующихся фррм углерода характерен крутой подъем термо-эдс до температуры начала графитации ( 2000°С) и резкое ее снижение в процессе графитации (кривая 2, рис. 4.15). Для неграфитирующихся форм угле рода, к которым относится УВМ, выше указанной темпе ратуры наблюдается монотонное, незначительное возрастание тер- [c.312]

Еще менее изучена структура и ее связь с механическими свойствами изотропных углеродных волокон. До недавнего времени изучалась структура изотропных волокон, полученных без ориентационного вытягивания. Канадские исследователи [35]) при получении углеродного волокна из каменноугольного и нефтяного пека (см. гл. 5) применяли на стадии графитации высокие ориентационные вытяжки. Карбонизованное волокно имело небольшие размеры турбостратпых кристаллитов ( с=10А, Ьа=17А). Графитация под натяжением способствовала ориентации базисных плоскостей вдоль оси волокна и росту кристаллитов до размеров (Ьс= = 175 А, а=13бА), соизмеримых с размерами кристаллитов анизотропных волокон. При просмотре под электронным микроскопом обнаружены фибриллоподобные элементы, расположенные вдоль оси волокна. Графитированное волокно имел о прочность 260 кгс/мм и высокий модуль Юнга (44-10 —бЗ-Ю кгс/мм ). Таким образом, обнаруживается сближение элементов структуры анизотропных и изотропных волокон. Однако остается невыясненной специфика структуры, обусловливающая столь высокие механические свойства изотропных волокон. [c.36]

Изекил и Спейн [99] исследовали влияние степени вытягивания на свойства графитированного волокна. Исходным материалом служили промышленные углеродные волокна с различным содержанием углерода (77,1—96,4%), полученные из вискозного корда. Графитация проводилась при 2600—2800 °С непрерывным, наиболее перспективным методом. Некоторые результаты, заимствованные из указанной работы, приведены в табл. 2.17. [c.119]

При применении неокисленного ПАН-волокна и проведении процесса в восстановительной и инертной среде применяются очень мягкие режимы. Скорость повышения температуры существенно влияет на свойства углеродного волокна. Согласно патенту [19] нагревание до 600 °С проводится со скоростью 50°С/сут, а в пределах 600—1000 °С — со скоростью 100°С/сут минимальная скорость 0,5°С/мин. При карбонизации волокна куртель (конечная температура 1000 °С) со скоростью нагрева до 3,3°С/мин и последующей графитации (температура 2500°С) получается волокно с модулем Юнга 5110 кгс/мм при снижении скорости подогрева до 0,5°С/мин модуль повышается до 13 860. В другом источнике [75] приводятся аналогичные результаты. Так, при карбонизации волокна куртель в инертной среде (температура 1000°С) со скоростью [c.190]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология