СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК D01F9/22 

Изобретение относится к способу получения углеродных тканых материалов из нитей на основе полиакрилонитрила (ПАН) и его сополимеров.

Основными требованиями, предъявляемыми к углеродным тканым волокнистым материалам, являются: высокие физико-механические свойства, их равномерность по длине и ширине, низкая себестоимость. Физико-механические свойства углеродных материалов (УМ) определяются как исходным сырьем, так и режимом переработки.

Существующий способ получения тканых материалов из ПАН включает в себя получение исходной нити на машине формования ПН-500Н линейной плотностью 40-350 текс, вытяжку в среде горячего пара с кратностью 400-700%, отмывку от растворителя, сушку на сушильных вальцах и приемку на кольцекрутильном механизме с круткой 75-80 м^-1. Далее нити проходят отдельную стадию термопластификационной вытяжки на утюгах (машина КВ-150Н) с кратностью 1,5-1,8 для получения необходимой степени ориентации молекул полимера с приемкой на кольцекрутильном механизме, после чего нити имеют крутку 100 м^-1. Для получения товарной паковки нить перематывают на перемоточной машине БП-260В. После этого нити поступают на операцию ткачества на челночные станки типа АТ, где получают тканые ленты различной ширины с разреженным утком (1-2 нити на 1 см длины ленты).

Согласно другому известному способу, являющемуся наиболее близким техническим решением, вышеописанную ленту подвергают окислению при 200-300^oС под постоянным напряжением, затем карбонизуют в инертной среде при температуре не ниже 1000^oC и подвергают графитации при температуре не ниже 2000-2500^oC.

Однако при реализации известного способа имеет место большой разброс свойств полимерных композитов, полученных из различных частей тканой ленты УМ по длине и по ширине ее, что возможно, как считают авторы, вызвано высокой круткой нитей в ленте, приводящей к затруднению выхода летучих соединений при высокотемпературной обработке, а также неравномерностью свойств УМ по ширине ленты, вызванной неравномерной плотностью нитей основы по ширине ленты из-за разного натяжения уточной нити при пробросе челнока в прямом и обратном направлениях. Кроме того, возможно, влияют "жесткие" условия обработки нити на стадии термопластификационного вытягивания, что способствует возникновению микродефектов в структуре волокна.

Целью изобретения является повышение равномерности свойств углепластиков, полученных из углеродных волокнистых материалов на основе тканых лент из ПАН нитей.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе получения углеродных волокнистых материалов в виде тканых лент на основе полиакрилонитрильных нитей, включающем окисление, карбонизацию и последующую высокотемпературную обработку, согласно изобретению, тканую ленту из полиакрилонитрильных нитей с круткой не более 50 м^-1дополнительно перед окислением подвергают вытяжке на 5-120% при 181-219^oC в воздушной среде, а окисление осуществляют в две стадии, сначала до плотности 1,22-1,28 г/см³ при деформации 0-(+15)%, а затем до плотности 1,34-1,54 г/см³ при деформации (-5)-(+10)%.

Изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

П р и м е р 1. Из ПАН нитей, сформованных из диметилформамидного раствора, в водно-диметилформамидную ванну с пластификационной вытяжкой в паре при 100^oC на 520%, с отмывкой диметилформамида до содержания его на волокне не более 0,01% , с круткой 20 м^-1, линейной плотностью 100 текс соткана лента шириной 400 мм с плотностью по утку 1 нить на 1 см длины. Полученная лента вытягивается в воздушной среде при 183^oC со скоростью 10 м/ч на 35% в зоне длиной 1 м, и далее в непрерывном процессе с предыдущей стадией ее подвергают окислению сначала до плотности, равной 1,22 г/см³, при температуре 185^oC и вытяжке на 15%, а затем до плотности 1,35 г/cм³ при температуре 215-245^oC с усадкой на 5%. Окисленный материал затем подвергают двухстадийной карбонизации при конечной температуре 1800^oС. Результаты испытаний композитов на основе полученной ленты приведены в табл.1.

П р и м е р 2. Из ПАН нитей, полученных как в примере 1, но с круткой 50 м^-1, линейной плотностью 250 текс получают ленту шириной 400 мм с плотностью по утку 2 нити на 1 см длины. Полученную ленту вытягивают в воздушной среде при температуре 219^oC на 120% при скорости 100 м/ч и затем окисляют при вытяжке 2% до плотности 1,28 г/см³ и на второй стадии вытягивают на 10% до плотности 1,45 г/см³. Окисленный материал затем подвергают двухстадийной карбонизации при конечной температуре 1800^oC. Результаты испытаний композитов на основе полученной ленты приведены в табл.2.

П р и м е р 3. Из ПАН нитей, сформованных из диметилформамидного раствора, с круткой 30 м^-1, линейной плотностью 250 текс получают ленту шириной 400 мм с плотностью по утку 1,0 нити на 1 см длины. Полученную ленту вытягивают в воздушной среде при 181^oC со скоростью 7,5 м/ч на 5% в зоне длиной 1 м и далее в непрерывном процессе с предыдущей операцией подвергают окислению на первой стадии до плотности 1,25 г/см³ при температуре 180^oC и нулевой вытяжке и на второй стадии до плотности 1,34 г/см³ при температуре 200-260^oC с вытяжкой 5%.. Окисленный материал затем подвергают двухстадийной карбонизации при конечной температуре 1800^oC. Результаты испытаний композитов на основе полученной ленты приведены в табл.3.

П р и м е р 4. Из ПАН-нитей, сформованных из диметилформамидного раствора, с круткой 40 м^-1, линейной плотностью 100 текс получают ленту шириной 400 мм с плотностью по утку 2 нити на 1 см длины. Полученную ленту вытягивают в воздушной среде в зоне длиной 1 м при температуре 200^oC на 60% при скорости 120 м/ч и затем подвергают окисленную ленту вытяжке на 10% до плотности 1,23 г/см³ и на второй стадии с нулевой вытяжкой при 300^oC до плотности 1,45 г/см³. Окисленный материал затем подвергают двухстадийной карбонизации при конечной температуре 2500^oC. Результаты испытаний композитов на основе полученной ленты приведены в табл 4.

Использование: получение углеродных волокнистых материалов технического назначения. Сущность изобретения: тканую ленту из полиакрилонитрила с круткой не более 50 м^-1 вытягивают на 5 - 120% при 181 - 219°С на воздухе. Затем проводят окисление в две стадии. Сначала до плотности 1.22-1.28 г/см³ при деформации 0 - (+15)% . Затем до плотности 1.34-1.45 г/см³ при деформации (-5) - (+10)%. Окисленное волокно подвергают карбонизации и высокотемпературной обработке. 4 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ в виде тканых лент на основе полиакрилонитрильных нитей, включающий окисление, карбонизацию и последующую высокотемпературную обработку, отличающийся тем, что тканую ленту из полиакрилонитрильных нитей с круткой не более 50 м^-1 дополнительно перед окислением подвергают вытяжке на 5 - 120% при 181 - 219^oС в воздушной среде, а окисление осуществляют в две стадии, сначала до плотности 1,22 - 1,28 г/см³ при деформации 0 - +15%, а затем до плотности 1,34 - 1,45 г/см³ при деформации -5 - +10%.