8.2. Базальтовые волокна

Базальтовые волокна:		Е стекло:
, кг/м3	2750	2520
Gр, МПа	2200-2400	2500-2600
Ер, МПа	9000-10000	7200
Температура начала снижения прочности волокна, оС	600	250

Получают фильерным способом. Текстильная структура: картон, маты, ленты, холсты. При температуре до 300^оС их прочность сохраняется на исходном уровне. Снижение прочности на 40-45% начинается при 600^оС. Диэлектрические свойства и водостойкость на уровне стекловолокон. Температурный интервал эксплуатации от –269 до +700-900^оС (стеклянные от –60 до +450^оС). Волокна устойчивы к действию щелочей, воды, но нестойки к действию кислот.

При нагреве до 700^оС базальтовые волокна уплотняются, их длина уменьшается, плотность возрастает и увеличивается кислотостойкость. Волокна относительно недорогие, хорошо совмещаются с полимерными связующими. Аппреты применяются в основном кремнийорганические.

8.3. Углеродные волокна

Сырьем для получения углеродных волокон (УВ) являются вискозные, полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, а также нефтяной каменноугольный пек [6].

За последнее время интерес к вискозным волокнам, как сырью для УВ, постепенно снижается. Это связано с потребностью в высокопрочных, высокомодульных волокнах, технология получения которых на основе ПАН волокон и волокон из пеков предпочтительнее.

В защиту этих волокон следует сказать, что в противовес ПАН и пеку, ВВ производятся из возобновленного сырья – древесины. Применение различных добавок (хлористого аммония, буры, диаммонийфосфата) позволяет повысить выход УВ из ВВ. А применение кремнийорганических добавок позволяет проводить вытягивание волокон на более ранних стадиях получения УВ, а не на стадии графитизации. Но при этом обеспечивается невысокий выход карбонизованного остатка.

Рис. 9. Поточная линия окисления ПАН волокон

1-устройства питания и намотки; 2-вальцы; 3-печи термообработки

Общей закономерностью процесса получения УВ являются строго контролируемые условия термообработки в процессе термического превращения исходной полимерной структуры в углеродную:

скорость нагрева должна обеспечивать минимальные повреждения элементарного волокна;

- необходимо предотвращение неконтролируемой усадки волокон при нагреве выше температуры стеклования;

проведение стадии окисления в присутствии кислорода воздуха. В случае вискозных волокон для этого достаточно кислорода, содержащегося в молекуле гидратцеллюлозы, поэтому все стадии процесса термообработки ВВ проводят в атмосфере азота. Технологический процесс получения УВ включает три стадии: окисление, карбонизацию, графитизацию (рис. 9).

8.3.1. Получение ув из пан волокон

Окисление ПАН волокон осуществляется на воздухе при температуре 220⁰С с натяжением. Хорошо ориентированное (вытянутое) на стадии формования волокно при окислении циклизуется.

При этом остается твердый остаток и выделяются: HCN, CO₂, NH₃, CO, H₂O.

В сомономерном волокне карбоксилсодержащие сомономеры (акриловая и итаконовая кислоты) инициируют олигомеризацию нитрильных групп.

В присутствии «активного» сомономера ускоряется начальная стадия реакции, поскольку и инициирование перестает определяться случайными флуктуационными актами, как в цепи гомополимера. Кроме того, уменьшается экзоэффект, что позволяет проводить технологический процесс окисления с большими скоростями.

Процесс окисления ПАН жгутов проводят, пропуская их последовательно через проходные печи (рис. 9). Поточная линия включает шпулярники для подачи намотки жгутов на катушки, устройства для транспортировки жгутов с заданными скоростями (вальцы), расположенные до и после каждой из печек, и системы роликов для накопления жгутов внутри печей. Обогрев жгутов осуществляется горячим воздухом. Выделяющиеся летучие обезвреживаются.

Карбонизация проводится при температуре 100⁰-1500⁰С со скоростью подъема температуры 210/мин в атмосфере инертного газа. Химический состав и потери массы составляют 55-60%. При карбонизации достигаются необходимые эксплуатационные и коммерческие свойства волокон. Однако полученные волокна относятся к низкомодульным (Е=210-240 ГПа).

Для повышения модуля упругости (Е=300-345 ГПа) проводят графитизацию при температуре 1800оС. Однако с повышением температуры обработки снижается предел прочности. Максимальное значение Е3100 МПа наблюдается у волокон, подвергнутых термообработке при 12001400^оС. При температуре термообработки 2000^оС Е 2000-2100 МПа. Прочность УВ лимитируется наличием дискретных дефектов как в объеме полимера, так и на поверхности волокна, а также зависит от структуры волокна.