2 Технология получения углеродных волокон
Углеродные волокна обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900°С (такие волокна содержат от 85 до 90 % углерода), от 900 до 1500 °С (содержание углерода от 95 до 99 %) или от 1500 до 3000 °С (с содержанием углерода более 99 %).
Углеродные волокна первоначально получали по принципам, аналогичным применяемым при синтезе стеклоуглерода. Наиболее распространенным способом и сейчас является пиролиз и последующая высокотемпературная обработка полимерных волокон. В обоих случаях волокнистую форму изделию придают на стадии предварительной обработки, а при пиролизе эта форма уже не изменяется. Волокна из полимерных материалов получают путем выдавливания через отверстия фильеры с вытяжкой, при этом отдельные структурные элементы полимера, первоначально имеющие, как правило, спиральную или глобулярную форму, приобретают форму фибрилл - нитевидных образований, длина которых на порядок и более превышает их диаметр. /1/
Окисление в воздушной среде придает волокнам огнестойкость за счет частичного дегидрирования или окисления, межмолекулярного сшивания и других процессов. При этом повышается стойкость волокон к плавлению при прогревании и сдерживается чрезмерное удаление атомов углерода. В процессе карбонизации по мере роста температуры происходит газификация и удаление всех атомов органического полимера, за исключением атомов углерода. Образовавшиеся углеродные волокна состоят из фрагментов полициклических ароматических молекул, имеющих плоскую шестиугольную сотовую структуру. В процессе графитизации накапливаются ароматические фрагменты. При этом повышаются модуль упругости и электропроводность волокон.
Углеродные волокна весьма хрупки и легко подвергаются повреждениям и разрушению при переработке. Чтобы предотвратить ухудшение свойств, вызванное этим явлением, осуществляют шлихтование нитей и жгутов, стремясь к образованию шлихтующего покрытия на элементарных волокнах. При этом шлихтующий агент должен находиться в достаточно размягченном состоянии. Шлихтующие составы могут улучшать адгезию полимерной матрицы к углеродным волокнам, что позволяет использовать такие волокна для армирования пластмасс без дополнительной обработки. /4/
2.1 Карбонизация гидратцеллюлозного волокна
Первая стадия термической обработки целлюлозы называется пиролизом и происходит при температурах, не превышающих от 350 до 400 0С. На этой стадии протекают основные химические реакции, наблюдается небольшая потеря массы материала, образуются предструктуры, участвующие при более высоких температурах в образовании углеродного «скелета». Остаток, полученный при пиролизе, содержит от 60 до 70 % углерода. При дальнейшей термообработке – карбонизации, происходящей при более высоких температурах, достигающих от 900 до 1500 0С, продолжаются химические процессы, обогащающие остаток углеродом.
При карбонизации изменяется комплекс физико-механических свойств волокна, что особенно важно на практике. Реакции пиролиза, протекающие в процессе карбонизации целлюлозы при температурах выше 400 0С, связаны с образованием сформировавшихся к этому моменту структурных элементов, отличающихся большим разнообразием. Наряду с гидроксильными группами, сохраняющимися вплоть до температур термообработки (600 0С), могут присутствовать также карбонильные группы с ненасыщенными углерод-углеродными связями, как в составе ароматических циклов, так и в виде линейных цепочек. Поскольку энергии связей в этих структурных элементах и их реакционная способность, зависящая также от ближайшего окружения, существенно различаются, то и протекающие при рассматриваемых температурах реакции весьма разнообразны. /3/
Рисунок 1 – Схема установки для карбонизации гидратцеллюлозных волокон
1 – подающий барабан; 2 – волокнистый материал; 3 – печь; 4 – камера для сжигания летучих примесей; 5 – нагреватели; 6 – приемный барабан
На процесс карбонизации целлюлозы, как на совокупность параллельно и последовательно протекающих химических реакций, большое влияние оказывают структура исходного материала, температурно-временной режим, характер среды, различные добавки.
Формирование упорядоченной структуры волокна сопровождается увеличением его плотности и прочности. Образование системы конденсированных гексоганальных колец обуславливается резким возрастанием температуры термообработки, электро- и теплопроводности. К моменту достижения от 900 до 1000 0С карбонизируемый материал приобретает тот ценный комплекс свойств, который обеспечивает широкие перспективы его использования.
В последнее время исключительное значение приобрели углеродные волокна на основе вискозного жгута, прошедшие специальную обработку по активации поверхности. Например, термообработка в среде острого пара. Это приводит к резкому увеличению суммарной поверхности волокна – до 800 м2/г.