ГЛАВНОЕ

Союз переработчиков пластмасс

ПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ: газета, купить и продать оборудование, цены на полимеры, изделия из пластмасс, книги, маркетинг, вакансии
стать партнером

Медиаплан 2020

СТАТЬИ И ОБЗОРЫ

Армирующие волокна: виды углеродных волокон и углеродных волокнистых материалов

| Тема: Сырье

Углеродные волокна (УВ) и углеволокнистые материалы (УВМ) включают две основные группы:

• низкомодульные и среднемодульные УВ и УВМ (волокна, ткани, нетканые материалы и др.), в том числе с особыми термическими, физическими и физико-химическими свойствами;

• высокопрочные и высокомодульные УВ и УВМ (нити, ленты, жгуты, ткани и др.) для армирования конструкционных композитов с высокими и сверхвысокими механическими характеристиками.

Углеродные волокна и углеродные волокнистые материалы получают путем высокотемпературного пиролиза исходных волокон-прекурсоров - гидратцеллюлозных (вискозных), ПАН (точнее из сополимеров акрилонитрила), нефтяных или каменноугольных пеков.

В настоящее время углеродные волокна (УВ) и углеродные волокнистые материалы (УВМ) получают путем пиролитических превращений исходных волокон-прекурсоров в основном из трех видов полимеров, дающих наибольший выход кокса при пиролизе:

• теоретический выход по углероду для ГЦ волокон — 44,5%, для ПАН волокон - 58,5%;

• реальный выход для карбонизованных волокон на основе ГЦ прекурсора — 25-35 %, на основе полиакрилового прекурсора 45-50%;

• реальный выход для графитированных волокон на основе ГЦ прекурсора — 23-30%, для полиакрилового прекурсора 40-50%;

• на основе нефтяных или каменноугольных пеков выход кокса достигает 70-90%.

Возможно также использование других исходных волокон-прекурсоров (поливинилхлоридных, поливинилспиртовых, полиарамидных, полиоксазольных, фенолформальдегидных и др.), но они не имеют промышленного значения из-за сложной технологии, более низких свойств получаемых УВ или их более высокой стоимости. Однако из-за специфики технологии переработки нефтяных и каменноугольных пеков, их канцерогенности и других причин для получения УВ и УВМ с особыми физическими и физико-химическими свойствами используются почти исключительно вискозные и полиакриловые волокна. УВ и УВМ получают, в основном, на базе волокон и жгутов или технических нитей, что позволяет создавать широкую гамму текстильных и бумажных материалов, а также конструкционных композитов и других волокнистых материалов с различными характеристиками и различного назначения.

Ниже рассматриваются углеродные волокна на основе двух видов прекурсоров — вискозных и полиакриловых волокон, являющихся достаточно доступными и перспективными для широкого применения в качестве многофункциональных материалов.

Получение УВ на базе вискозных и полиакриловых волокон включает процессы подготовительных обработок волокон и последующие стадии высокотемпературной термической обработки (ВТО).

Подготовка и низкотемпературная обработка различных исходных волокон — вискозных и акриловых — существенно различаются, тогда как последующая ВТО проводится практически аналогично.

Гидратцеллюлозные волокна пропитывают катализаторами, многие из которых являются антипиренами: фосфор-азотными соединениями, солями переходных металлов, силанами и хлорсиланами и др. для повышения выхода коксового остатка, и после сушки подвергают термической обработке с медленным подъемом температуры до 400 °С. На подготовительной стадии регулируется химическая структура; вводимые вещества регулируют процессы пиролиза и обеспечивают максимальный выход кокса. При этом создаются межмолекулярные сшивки и циклические структуры, происходит удаление летучих продуктов.

Полиакриловые волокна подвергают термоокислительной дегидратации и предварительной циклизации, проводя термическую обработку на воздухе при температуре 250-350 °С.

Температурно-временные условия на первой стадии выбираются такими, чтобы все время возрастающая температура стеклования (размягчения) волокна оставалась выше температуры обработки и сохранялось ориентированное надмолекулярное (фибриллярное) строение и форма волокна до его полного перехода в структурированный неплавкий и не размягчающийся материал.

На стадиях ВТО - карбонизации (800-1500 °С) и графитации (1500-3000 °С) завершается процесс пиролиза, сопровождающийся удалением оставшегося водорода и гетероатомов в виде летучих соединений и происходит образование углеродного полимера с заданной степенью упорядоченности. Процессы карбонизации и графитации проводятся в инертной среде и выполняются под натяжением или без него. Варьируя упорядоченность структуры исходных волокон и температурно-сило-временные условия ВТО, можно регулировать степень ориентации и кристалличность УВ и их физико-механические свойства. Проводя ограниченное вытягивание, особенно на стадии графитации, можно повысить прочность, модуль упругости УВ. В некоторых случаях, например, для получения волокон с заданными физическими или физико-химическими свойствами, стадия графитации может исключаться. Для повышения внутренней поверхности волокон может производиться их дополнитель¬ная активация, а также создание на поверхности функциональных групп, способных к ионному обмену.

Химический состав и структура УВ зависят от состава исходного прекурсора и условий их получения. С повышением температуры термообработки (ТТО) содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. По максимальной температуре термообработки и элементному составу все виды УВ можно подразделить на три вида, приведенных в табл. 1.

Таблица 1. Основные виды УВ по условиям их получения

Виды волокон

Температура ТТО, 0С

Содержание углерода, %масс.

Частично карбонизированные

до 500

до 90

Угольные (карбонизированные)

500 - 1500

91 - 99

Графитированные

выше 1500

выше 99

Молекулярная структура УВ включает в основном ароматические карбо- и гетерополициклические и в меньшем количестве линейные фрагменты, содержащие двойные связи:

углеволокно

В структуре УВ содержатся также гетероатомы кислорода, азота, кремния, фосфора в зависимости от импрегнированных добавок (катализаторов), а на поверхности различные функциональные группы, преимущественно кислородсодержащие — гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

УВ сохраняют надмолекулярную структуру исходных волокон-прекурсоров и включают фибриллярные образования с чередованием аморфных и кристаллических областей. С увеличением температуры и натяжения при ВТО степень ориентации и кристалличность УВ возрастают. Микроструктура УВ характеризуется высокой пористостью, создающей большую внутреннюю поверхность, достигающую 50-400 м2/г(рис.1).

Форма поперечного сечения УВ сохраняется от исходных волокон. В результате потери массы и усадки при пиролизе и карбонизации поперечник получаемых УВ существенно меньше, чем исходных волокон и составляет обычно 6-12 мкм.

Рис.1. Структурная модель УВ из полиакрилового волокна:

углеволокно

1 — большая полость; 2 — ламеллярные структуры на включениях и полостях; 3 — области, характеризующиеся большой концентрацией напряжений; 4 — оболочка; 5 — промежуточный слой с радиальной ориентацией; 6 — ядро; 7 — небольшая пора; 8 — трещина; 9 — участок с мелкокристаллической структурой; 10 — неорганическое включение; 11 — радиально расположенные основные структуры

По материалам: «Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты», издательство НОТ


СТАТЬИ ПО ТЕМАМ
 Технологии [154]     Изделия [78]   
 Оборудование [43]     Сырье [113]   
 Обзоры рынков [181]     Интервью [96]   
 Репортаж [25]     Все статьи   

Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
Тел: +7 (499) 490-77-79
Прислать сообщение


Полное или частичное копирование любых материалов, опубликованных на Plastinfo.ru, для размещения
на других Интернет сайтах, разрешается только с указанием активной гиперссылки на plastinfo.ru !

Полное или частичное использование любых материалов, размещенных на Plastinfo.ru,
в СМИ, печатных изданиях, маркетинговых отчетах, разрешается только с указанием ссылки
на «Plastinfo.ru» и в некоторых случаях требует письменного разрешения ООО Пластинфо




ОПРОС НА PLASTINFO.RU

Вы поддерживаете планируемый запрет на одноразовые изделия из пластмасс?

результаты


Проводится с 01.10 по 30.11.2021

Получаем результат...
Онлайн магазин книг Телеграм канал Plastinfo.ru интерпластика: международная выставка пластмасс и каучуков видео о индустрии переработки пластмасс и каучука

Новости

Выставки и конференции
Государство и бизнес
Литература и образование
Новые материалы и марки
Обзоры и анализ рынков
Обзоры СМИ
Оборудование
Объемы и мощности
Отходы и экология
Персоны и назначения
Пресс-релизы, форс-мажоры
Разработки изделий
Слияния и новые имена
Цены на сырье и изделия

Изделия

Полипропиленовые трубы
Полиэтиленовые трубы
Фитинги
ПВХ окна и двери
Емкости 1-5л
Канистры
Полиэтиленовая пленка
Мешки, пакеты майка
Термоусадочная пленка
Вагонка, сайдинг, профили
Сотовый поликарбонат

Объявления

Продать
Купить
Вакансии
Резюме
Форум

Информация

Справочник покупателя
Статьи и обзоры
Глоссарий
Выставки
Опросы
Стандарты
Видео Plastube

Подписка

Бизнес газета
Цены на полимеры
Импорт и экспорт
Магазин отчетов
Магазин книг
База полимеров
Polyglobe

О проекте

Контакты
Карта сайта
Партнеры
Реклама