СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА Советский патент 2007 года по МПК D01F9/22 

Изобретение относится к производству углеродного волокна (УВ) на основе полиакрилонитрила (ПАН) и его сополимеров, используемого в качестве наполнителя при изготовлении композиционных материалов в различных областях техники.

Получение углеродных материалов путем высокотемпературной обработки предварительно термоподготовленных (окисленных) волокон на основе ПАН и его сополимеров связано с выделением большого количества побочных продуктов, неблагоприятно влияющих на качество конечного материала. Так, например, волокна на основе ПАН и его сополимеров в связи с особенностями технологии производства содержат в своем составе соединения натрия, например штаконат натрия, присутствие которых в углеродном волокне отрицательно сказывается на его свойствах и изделий на его основе, в том числе композиционных материалов.

Присутствие натрия в углеродном волокне снижает температуру начала горения, т.е. материал становится значительно менее термостойким. Например, температура начала горения УВ, обработанного при 1500°С и содержащего до 0,08% натрия, снижается с 620 до 450-460°С. Такое волокно плохо пропитывается пироуглеродом, снижается работоспособность изделий на его основе. Кроме того, присутствие натрия в изделиях, эксплуатирующихся при очень высоких температурах, приводит к образованию ионизированного облака, которое легко засекается радиолокационными средствами.

Наиболее близким к изобретению является известный способ получения углеродного волокна термостабилизацией волокна из гомо- или сополимеров акрилонитрила с последующей термообработкой при нагревании до 1200-2400°С в условиях удаления продуктов пиролиза потоком инертного газа, направленного противотоком.

Согласно этому способу рекомендуется осуществлять удаление солей натрия из ПАН волокна в зоне с максимальной температурой во избежание осаждения солей на волокне и стенках печи.

Однако данный способ не обеспечивает требуемого качества углеродного волокна, в том числе высокой термостойкости, вследствие наблюдающегося высаждения продуктов пиролиза на волокне и взаимодействия активных продуктов, таких как, водяные пары и углекислый газ с волокном.

Попытки снизить концентрацию солей натрия в УВ за счет увеличения скорости противотока инертного газа также не привели к желаемому результату. При больших скоростях поток инертного газа становится турбулентным. Так, при повышении расхода газа с 2-4 до 14-28 м³/ч содержание натрия в углеродном волокне повышается с 0,12% до 0,14-0,18% от массы волокна.

Цель изобретения - повышение термостойкости углеродного волокна.

Данная цель достигается способом получения углеродного волокна термостабилизацией волокна из гомо- или сополимеров акрилонитрила с последующей термообработкой при нагревании до 1200-2400°С в условиях удаления продуктов пиролиза потоком инертного газа, направленного противотоком, причем по изобретению термообработку осуществляют при повышении скорости потока инертного газа в зоне с максимальной температурой в 4-7 раз до 72-126 м/мин и времени нахождения волокна в указанной зоне 10-10% от общей продолжительности термообработки.

Согласно изобретению скорость потока инертного газа в зоне максимальных температур резко увеличивается. Так, скорость противотока инертного газа на 80-90% пути движения волокна составляет 18 м/мин, а в зоне с максимальной температурой она составляет 72-126 м/мин.

Изобретение иллюстрируется нижеследующим примером и таблицей.

Пример 1.

Окисленное волокно на основе ПАН, содержащее 0,3% натрия, подвергают высокотемпературной обработке в противотоке инертного газа при температуре 1500°C и общем времени обработки 4 мин. Скорость движения инертного газа в центральной части печи, соответствующей максимальной температуре обработки, составляет 126 м/мин, а в общей зоне - 18 м/мин, т.е. увеличение скорости в 7 раз. Время пребывания обрабатываемого материала в указанной зоне - 36 с, что составляет 15% от общего времени обработки.

Влияние изменения параметров высокотемпературной обработки на термостойкость углеродного волокна представлено ниже в таблице. Термостойкость углеродного волокна определяют по температуре начала его горения.

Как следует из данных таблицы, изобретение позволяет значительно повысить термостойкость углеродного волокна на основе гомо- и сополимеров ПАН, а следовательно, улучшить его качество и качество композиционных материалов и изделий на его основе.

Влияние параметров высокотемпературной обработки на свойства углеродного волокнаПримерРежим высокотемпературной обработкиСодержание натрия в углеродном волокне, %Температура начала горения углеродного волокна, °CТемпература обработки, °CОбщее время обработки, минВремя пребывания волокна в зоне с повышенной скоростью движения инертного газа, сСкорость движения инертного газа в зоне с повышенной скоростью движения инертного газа, м/минСкорость движения инертного газа в общей зоне печи, м/мин1234567811500436126180,016002150043672180,01600315004369018отсутствует6204150042490180,025905150044890180,025906150021890180,02590712004369018отсутствует480824004369018отсутствует6609       (сравнительный)150040-180,1445010       (сравнительный)150040-1300,18430        Примечание: в примерах 1-8 исходное содержание натрия в ПАН волокне
составляет 0,3%, а в примерах 9-10 оно составляет
только 0,1%.

Изобретение относится к технологии получения углеродных волокон. Способ заключается в следующем: термостабилизированное волокно из гомо- или сополимеров акрилонитрила термообрабатывают при нагревании до 1200-2400°С с удалением продуктов пиролиза противотоком инертного газа. В зоне максимальной температуры скорость потока газа повышают в 4-7 раз с 18 до 72-126 м/мин. Время термообработки волокна в этой зоне составляет 10-20% от общего времени термообработки. Характеристика полученного продукта: содержание натрия понижается с 0,3% в исходном акрилонитрильном волокне до 0-0,02% в углеродном волокне. Температура начала горения углеродного волокна повышается до 480-660°С против 450°С в случае постоянства скорости подачи инертного газа и повышения при этом содержания натрия с 0,1% в исходном акрилонитрильном волокне до 0,14% в углеродном волокне. 1 табл.

Способ получения углеродного волокна термостабилизацией волокна из гомо- или сополимеров акрилонитрила с последующей термообработкой при нагревании до 1200-2400°С в условиях удаления продуктов пиролиза потоком инертного газа, направленного противотоком, отличающийся тем, что, с целью повышения термостойкости углеродного волокна, термообработку осуществляют при повышении скорости потока инертного газа в зоне с максимальной температурой в 4-7 раз до 72-126 м/мин и времени нахождения волокна в указанной зоне 10-20% от общей продолжительности термообработки.