Процесс переработки пан-волокна в ув-волокно и его стадии

1. предварительная вытяжка;

2. стабилизация при 220 °C на воздухе под натяжением (стабилизация применяется для повышения устойчивости полимеров к воздействию различных факторов в условиях хранения, переработки, эксплуатации; применительно к производству углеродных волокон стабилизация заключается в выполнении технологических приемов, способствующих максимальной графитизации исходного материала);

3. карбонизация при 1500 °C в атмосфере инертного газа;

4. графитизация при 3000 °C в атмосфере инертного газа.

Окисление

В настоящее время для стабилизации ПАН-волокон применяется окисление полиакрилонитрила с последующей циклизацией. Окисление предполагает включение атомов кислорода в состав повторяющихся блоков макромолекулы, а циклизация — образование замкнутых цепочек атомов, исключение несвязанных («висячих») атомных групп.

Строгой теории протекания этих процессов на сегодня еще не разработано, имеются только предположения о возможной структуре макромолекулы, подвергнутой этим процедурам. Экспериментальные исследования показывают, что при определенных параметрах эти процессы позволяют получать УВ с более высокими характеристиками.

Карбонизация

Следующим шагом является карбонизация ПАН-волокна. Под карбонизацией понимают обычно процесс пиролиза стабилизированного волокна, при котором происходит его превращение в углеродное волокно. Именно на этой стадии достигаются необходимые свойства УВ.

Карбонизация проводится в атмосфере инертного газа при температуре 1000… 1500 °C. При этой температуре из волокна удаляются практически все элементы кроме углерода. При достижении температуры 1000 °C волокно содержит около 94% углерода и 6% азота. При 1300 °C содержание азота уменьшается до 0,3%. При температуре 1600 °C теряется до 60% массы исходного ПАН-волокна. Оставшиеся 40–45% составляют выход углерода. Такое соотношение масс исходного и конечного продуктов является достаточно высоким, что повышает привлекательность ПАН-волокон для использования в качестве сырья для получения УВ.

В результате переработки плотность волокон изменяется от 1200 кг/м3 ( ПАН-волокно) до 1700 — 2100 кг/м3 (УВ). Плотность идеального монокристаллического графита составляет 2260 кг/м3. Диаметр исходных волокон уменьшается почти в 2 раза — средний диаметр углеродных волокон составляет примерно 7? 10 мкм.

Достижение максимально высоких физическо-механический свойств

Для достижения максимально высоких физико-механических свойств необходимо, чтобы базовые плоскости графита в УВ были параллельны оси волокна. Если в плоскости базового слоя теоретический модуль упругости достигает 1000 ГПа, то при отклонении от базовой плоскости на 15° его величина составляет всего 70 ГПа.

Следовательно, для получения высокомодульных волокон необходимо обеспечивать наличие высокоориентированной структуры базовых плоскостей относительно оси волокна. Создание высокоориентированной структуры начинается еще на этапе формованияПАН-волокна (процедура вытяжки волокон). На степень ориентированности структуры влияют практически все параметры технологического процесса: температура и состав осадительной ванны, степень вытяжки волокна, температура сушки и др. Сформированная структура ПАН-волокна наследуется углеродным волокном — полученное в результате пиролиза УВ представляет собой своего рода «скелет» исходного волокна. Строение УВ напоминает структуру древесного ствола: наружные кольцевые слои имеют более высокую степень ориентации по сравнению с внутренними (более рыхлыми, разупорядоченными).

Условия получения углеродных волокон оказывает сильное влияние на их механические свойства. Модуль упругости углеродных волокон возрастает с увеличением температуры прогрева. Прочность при растяжении возрастает с ростом температуры прогрева на стадии карбонизации и снижается на стадии графитизации.

Улучшение свойств в процессе карбонизации связывают с ростом ароматических фрагментов, из которых состоят углеродные волокна, с процессом взаимного сшивания этих фрагментов, повышением степени ориентации, усложнением текстуры волокон и другими факторами. Снижение прочности в процессе дальнейшего повышения температуры происходит вследствие порообразования, связанного с выделением газов при реакции неорганических примесных частиц с углеродом.

Схема процесса производства полиакрилонитрила (ПАН)