Схема
механизма
стабилизации
и
последующей
карбонизации
при
получении
УВМ
КАРБОНИЗАЦИЯ
Основными летучими продуктами, выделяющимися на стадии карбонизации, являются
•вода,
•диоксид углерода
•синильная кислота
•аммиак,
•оксид углерода,
•водород
•азот - выделяется только при температуре выше 700°С.
Все же, высокопрочные УВМ обычно содержат несколько процентов азота
Основные стадии получения УВМ
КАРБОНИЗАЦИЯ
В зависимости от конечной температуры обработки карбонизованная УВМ содержит
•91-98% углерода,
•2-9% кислорода и водорода.
Циклизация (к примеру, гомополимера акрилонитрила)
•чаще всего проходит по радикальному механизму и
•является экзотермической реакцией.
Улучшение свойств в процессе карбонизации
•связывают с ростом конденсированных ароматических фрагментов, из которых состоят УВМ,
•с процессом взаимного сшивания этих фрагментов,
•повышением степени ориентации,
•усложнением текстуры волокон и другими факторами.
Основные стадии получения УВМ
КАРБОНИЗАЦИЯ
•Если дегидрирование основной цепи происходит прежде циклизации, то
•основная цепь полимера с сопряженными связями становится жесткой,
•однако, точка изменения тактичности остается вращающейся.
•Если циклизация проводится под натяжением, то
•такое вращение внутри молекулярной цепи благоприятствует реализации цис- конформации звеньев и
•таким образом способствует внутримолекулярной циклизации.
•Если напряжение не прикладывается, то
•внутримолекулярное вращение является причиной усадки, величина которой определяется отношением длины соседних изотактических последовательностей и составляет в среднем 25%.
•Эта простая модель не учитывает реакции сшивания кислородом, сомономером или тем и другим.
•Однако важно, что химическая усадка происходит во всех случаях.
После стадии карбонизации возможно проведение графитизации или активации.
Основные стадии получения УВМ
ГРАФИТИЗАЦИЯ
Стадия графитизации необходима для получения высокомодульных волокон. Представляет собой термообработку в инертной среде при температуре 900 - 3000°С:
•Начальная температура графитизации
•определяется конечной температурой карбонизации и
•находится в пределах 900-1500°С,
•конечная
•в интервале 2600-2800°С.
•Графитизация проводится, помещая волокна в сильную струю инертного газа - аргона.
•Это необходимо потому, что образующиеся при графитизации углеводороды распадаются с образованием углерода, осаждающегося на волокне, что ухудшает свойства УВМ.
•В процессе графитизации
•УВМ подвергают вытягиванию (как и при карбонизации), что позволяет повысить их механические свойства.
•происходит обогащение волокна углеродом до содержания не менее 99% углерода.
•Потеря массы волокна на этой стадии составляет 5-15%.
Основные стадии получения УВМ
ГРАФИТИЗАЦИЯ
При графитизации происходит
•дальнейшая ароматизация углерода,
•увеличение размеров ароматических плоскостей и
•их взаимная ориентация, приводящая к увеличению кристаллических образований.
•При этом повышается
•модуль упругости и
•электропроводность волокон.
Основные стадии получения УВМ
ГРАФИТИЗАЦИЯ
Графитизированное волокно представляет собой
•двухфазную систему, состоящую из кристаллического и аморфного углерода.
•Благодаря этому волокно характеризуется
•высокими механическими показателями и
•достаточной эластичностью.
Основные стадии получения УВМ
ГРАФИТИЗАЦИЯ
•При температуре выше 1800°С
•из ароматических сеток образуются кристаллиты небольших размеров.
•До температуры 2500°С межплоскостное расстояние уменьшается без
укрупнения кристаллитов.
•Размер кристаллитов начинает заметно увеличиваться при температуре
2500-2800°С.
•При температуре, превышающей 3000°С,
•наблюдается гетерофазная графитизация, сопровождающаяся испарением и
последующей конденсацией углерода.
•Процесс графитизации связан с
•использованием сложного оборудования и с большими энергетическими затратами.
•Поэтому стоимость графитизированного волокна возрастает по сравнению с карбонизованным.
Основные стадии получения УВМ
АКТИВИРОВАНИЕ УВМ
Наиболее приемлемо и с технологической, и с экономической точек зрения получение активированных углеродных волокон методом газофазной активации УВМ после карбонизации, при этом применяются
•Водяной пар,
•углекислый газ
•кислород.
Характеристики |
УВМ ПАН |
|
|
||
Диаметр, мкм |
6-11 |
|
Удельная |
700-1200 |
|
поверхность, м2/г |
||
|
||
Внешняя удельная |
1,0-1,5 |
|
поверхность, м2/г |
||
|
||
Диаметр пор, нм |
2-3 |
|
Адсорбция |
|
бензола, г/г |
0,20-0,40 |
|
|
||
Содержание |
88-91 |
|
углерода, % |
||
|
Тип активированного углеродного сорбента
УВМ ГЦ |
УВМ ПЕК |
УВМ ФФС |
7-18 |
11-17 |
9-10 |
700-2850 |
700-2200 |
700-2500 |
1,0-2,0 |
0,5-1,0 |
0,2-0,7 |
1-3 |
1-3 |
1-3 |
0,20-0,55 |
0,20-0,60 |
0,20-0,75 |
92-95 |
92-95 |
92-95 |
Активированные
угли
1000-3000 500-950
0,01
4-6 
0,20-0,35 
80-90
Основные стадии получения УВМ
АКТИВИРОВАНИЕ УВМ
На сегодняшний день наиболее интересными сорбентами могут являться сорбенты, полученные на основе
•фенолформальдегидных смол, у которых удельная поверхность достигает 2500 м2/г, а в экспериментальных случаях и еще больше,
•гидратцеллюлозы.
•Полученные показатели являются стандартными, и
•сорбенты общепризнано имеют большое значение в производстве
•средств индивидуальной защиты,
•защитной одежды,
•очистки воздуха и так далее.
Активированные углеродные волокна имеют рыхлую структуру.
•Они представляют собой образования связанных микрокристаллов, между которыми находится огромное количество пор.
•Как правило, они являются полиамфолитами,
•емкость таких сорбентов, их обменные характеристики довольно низки.
Основные стадии получения УВМ