Содержание
Введение……………………………………………………………....….....5
1 Исходное сырье для получения углеродных волокон …………..…...7
Целлюлоза ……………………………………………………….……..8
Полиакрилонитрильное волокно …………………………….…...….9
Пеки ………………………………………………………….…..…….10
2 Технология получения углеродных волокон ……………...…......….13
2.1 Карбонизация гидратцеллюлозного волокна ……………….….....14
2.2 Получение волокон из полиакрилонитрильного волокна …….....16
2.3 Получение волокон из пеков ……………………………………......20
3 Свойства углеродных волокон ……………………………...…….….25
4 Применение углеродных волокон ……………………………...….…31
Заключение ………………………………………………………...…......34
Библиографический список……………………………………………...35
Введение
Молекулы обычных полимеров содержат, помимо углерода, еще и атомы других элементов - водорода, кислорода, азота и т.д. Но сейчас разработаны методы получения волокон, представляющих собой, по сути дела, чистый полимерный углерод. Такими волокнами являются углеродные волокна. /1/
Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Алва Эдисоном в 1880 году в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет Эдисон же предложил получать углеродные волокна на основе различных природных волокон. /2/
Понадобилось несколько десятков лет, прежде чем к углеродным волокнам вновь возник интерес. Поводом послужило получение углеродного волокна из искусственных волокон. В 1958 году волокна из вискозы уже вырабатывались в значительных количествах. В 1959 году союз химических объединений выпускает в продажу высокомодульное углеродное волокно, полученное путем высокотемпературной обработки целлюлозы. Это резко повысило интерес к нему.
В 1959 – 1960 годах в СССР были проведены исследования по получению углеродных волокон на основе полиакрилонитрильного волокна. А в 1961 году А. Шиндо (Промышленный институт Осаки) удалось получить углеродное волокно на основе полиакрилонитрильного волокна, которое, однако, имело низкие механические характеристики. В Англии, начиная с 1963 году, в Королевском научно-исследовательском институте проводились работы по получению углеродного волокна из специально изготовленного волокна «Куртель». В результате был разработан процесс получения высококачественных углеродных волокон, что дало толчок к широкому производству высокопрочных высокомодульных волокон из полиакрилонитрильного волокна.
В 1969 году японская фирма «Торей» значительно расширяет производство углеродных волокон из полиакрилонитрильного волокна, и они становятся лидерами в производстве углеродных волокон. Японские ученые обратили внимание на пеки, содержащие 85% углерода, как на возможное сырье для получения углеродных волокон. В результате исследований 1962 – 1965 лет появились углеродные волокна из пеков.
В 1977 году на мировом рынке были широко представлены дешевые углеродные волокна из пека со средними механическими характеристиками. Дальнейшее исследование возможностей создания углеродных волокон из пеков с высокими механическими характеристиками позволило разработать технологию получения их жидкокристаллических пеков сверхмодульных углеродных волокон. /3/
Так появились современные углеродные волокна, которые в инертной среде выдерживают до трех тысяч градусов, а в окисленной — до четырехсот...
Сегодня углеродные волокна получают в основном из вискозных и полиакрилонитрильных волокон, нагревая их до высоких температур в инертной среде, и из пеков /1/. В зависимости от типа сырья для производства углеродных волокон, режимов и условий их термообработки они имеют различные прочность, модуль упругости и другие характеристики. /4/
Цель данной работы – изучить особенности углеродных волокон, способы их получения и выяснить, какие существуют новые научные разработки и перспективы в области углеродных волокон. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить физические и механические свойства углеродных волокон;
Рассмотреть исходное сырье для получения углеродных волокон;
Описать технологии получения углеродных волокон из различного вида сырья;
Выяснить области применения углеродных волокон.
1 Исходное сырье для производства углеродных волокон
Исследователями всего мира достаточно большое количество работ посвящено отысканию сырья для получения углеродных волокон. Предполагается, что любое волокно, дающее высокий выход коксового остатка, можно рассматривать как потенциальный материал для получения углеродного волокна. Однако существуют и другие факторы, играющие важную роль при получении этих волокон. Так, для волокон из полимеров, плавящихся при повышенной температуре, обязательным является предварительное окисление волокна для преобразования его в неплавкое состояние. Только после этого волокно можно подвергать карбонизации.
Окисление – наиболее ответственная и сложная операция, определяющая свойства конечного продукта, - должно проводиться при температуре ниже температуры плавления волокна. Известно, что при окислении из-за деструкции полимера снижаются ориентация, степень кристалличности и механические свойства волокна. Окисленное волокно должно обладать достаточно высокими физико-механическими показателями, обеспечивающими возможность его переработки и получения качественного волокна, создать такие условия достаточно трудно. /3/
Волокна, предназначенные для переработки в углеродные материалы, должны удовлетворять следующим требованиям:
Не плавиться при карбонизации;
Давать высокий выход углеродного волокна;
Получаемое углеродное волокно должно обладать высокими физико-механическими свойствами. /5/
Для получения углеродных волокон были исследованы почти все типы химических и природных волокон. В качестве исходного сырья использовались волокна на основе алифатических и ароматических полиамидов, ароматических полиэфиров, гетероциклических термостойких полимеров, полиэтилена и др. Возможно, что еще не найдены оптимальные условия переработки таких волокон в углеродное волокно. Поэтому набор волокон, служащих для получения углеродных волокон, на сегодняшний день невелик. Это - целлюлозное волокно – неплавкое и не требующее окисления, из которого были получены первые углеродные волокна; полиакрилонитрильное, из которого вырабатывается основная масса углеродного волокна с большим ассортиментом свойств; и пековые волокна, из которых вырабатываются самые дешевые и самые дорогие волокна. К другим волокнам, имеющим практическое значение, относятся: поливинилспиртовые волокна, волокно «Саран» и фенольные волокна. /3/ Возможно использование и других исходных волокон, например, поливинилхлоридных, полиоксазольных, но они не имеют промышленного значения из-за сложной технологии получения, низкого качества и высокой стоимости углеродных волокон из них. /6/
В любом случае исходным материалом для получения углеродных волокон служат волокна, ибо только такая форма материала позволяет получить данные волокна.
1.1 Целлюлоза
Целлюлоза является одним из самых распространенных природных полимеров. Гидратцеллюлоза – одна из структурных модификаций целлюлозы, получаемая химической переработкой природной целлюлозы. Из гидратцеллюлозы состоят вискозные и медноаммиачные волокна, которые поэтому и называют гидратцеллюлозными. Отличаются они способом получения прядильного раствора.
Целлюлоза имеет прочные водородные межмолекулярные связи, разорвать которые достаточно сложно. Поэтому, чтобы преобразовать целлюлозу в раствор, необходимо использование высокоактивных химических реагентов.
Наибольшее применение нашли вискозные волокна, получаемые из природной целлюлозы по вискозному методу. Вискоза – это раствор ксантогената целлюлозы в разбавленном водном растворе NaOH.
Целлюлоза является одним из основных видов сырья, используемых для получения углеродных волокнистых материалов. Из целлюлозы вырабатывают ткани, нити, жгуты, нетканые волокнистые материалы.
Интересен тот факт, что именно целлюлоза послужила первым материалом для разработки способа получения волокон из углерода. Этот способ подсказан впервые Эдисоном и Сваном еще в 1880 г. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные.
В результате многочисленных исследований различных целлюлозных нитей установлено, что наиболее приемлемой является вискозная кордная нить. Кордные нити производятся непрерывным способом, где одновременно осуществляется формование, вытягивание, промывка, сушка и кручение волокна. Кордные нити имеют повышенные прочность, относительное удлинение и динамические свойства. /3/
1.2 Полиакрилонитрильное волокно
В настоящее время полиакрилонитрильные волокна (ПАН – волокна) являются основным видом сырья, применяемым для получения углеродных волокнистых материалов. Из них изготавливают главным образом высокопрочные высокомодульные углеродные волокна.
Среди различных видов карбоцепных волокон наиболее широкое применение получили волокна, вырабатываемые из сополимеров акрилонитрила. Сополимеры, содержащие до 15 % второго компонента, по своим основным показателям (растворимости, термостойкости) практически не отличаются от чистого полиакрилонитрила. Молекулярная масса полимеров и сополимеров, используемых для получения волокон, составляет от 40 000 до 60 000.
Таким образом, полиакрилонитрил, используемый для получения волокна, служащего сырьем в производстве углеродных волокон, не является в строгом смысле полиакрилонитрильным полимером. Это обычно тройной сополимер, содержащий в своем составе метилакрилат и около 1 % итаконовой кислоты.
Полиакрилонитрил выпускают по различным технологиям, с различными свойствами и фирменными названиями. Наиболее известными фирменными названиями являются: «Орлон» и «Акрилон» (США), «Куртель» (Великобритания), «Дралон» (ФРГ), «Нитрон» (Россия).
Полиакрилонитрил не плавится без разложения, поэтому волокно из него может быть получено только методом формования из растворов.
На технологические параметры процесса получения углеродного волокна и на его свойства определяющее влияние оказывают структура и свойства исходного ПАН-волокна. В патентной литературе отмечаются такие важные факторы, как условия получения полимера, его химический состав, условия формования, вытяжки и термообработки волокна, содержание в готовом волокне растворителя, крутка волокна, добавки и прочее.
На свойства углеродного волокна также большое влияние оказывают загрязнения ПАН-волокна, причем большинство инородных частиц находится на его поверхности. В результате выгорания инородных включений во время карбонизации на поверхности углеродного волокна возникают трещины, резко снижающие его прочность.