2.3.3Акономерности процесса и основные условия графитации ув
Графитация - завершающаяся стадия процесса получения У В, на котором его подвергают высокотемпературной обработке.
Начальная стадия - 900-1500°С. Конечная - 2600-2800°С. При графитации происходят в основном структурные превращения, но при этом изменяются химический состав и свойства материала, происходит обогащение материала углеродом до 99% . Потери массы волокна на этой стадии составляет 5-20%. Усадка - 3-6%.
На данной стадии происходит дальнейшая ароматизация, увеличение размера ароматических плоскостей и их взаимная ориентация, приводящая к увеличению размеров кристаллических образований.
Графитированное волокно представляет собой систему, состоящую из аморфных и кристаллических частей углерода. Благодаря этому волокно характеризуется высокими механическими показателями и достаточной эластичностью. Содержание кристаллической фракции в волокне составляет 30%.
Основными параметрами графитации является среда, продолжительность и температура, добавки, степень вытягивания:
- процесс обычно проводят в среде аргона. К защитному газу предъявляются строгие требования ( даже следы кислорода вызывают окисление УВ, а также ухудшают работу графитовых печей ).
Образующиеся при графитации углеводороды распадаются до углерода, который может осаждаться на волокне, что приводит к ухудшению свойств волокна. Поэтому защитный газ подают сильной струей, что позволяет удалять углеводороды из сферы реакции;
- конечная температура графитации определяется требованиями, предъявляемыми к углеродному материалу. При более высокой температуре волокно больше обогащается углеродом, улучшаются его физико-механические показатели;
- для достижения высокого модуля упругости волокна в реакционную зону по необходимости вводят добавки, каталитически ускоряющие процесс графитации. Это позволяет снизить температуру графитации. В качестве таких добавок используют карборансодержащую добавку;
- продолжительность графитации ограничивается несколькими секундами;
но за этот промежуток времени волокна могут быть вытянуты дополнительно на 100%. Такая степень вытяжки обеспечивает ориентацию, позволяющую достичь высоких физико-механических свойств УВ.
2.4.Технологическая схема получения ув и аппаратурное оформление процесса термообработки
Исходя из механизма карбонизации и графитации, можно представить следующие варианты технологических схем получения УВ:
- 3-х стадийный процесс, включающий предварительную карбонизацию, карбонизацию и графитацию;
- 2-х стадийный процесс: карбонизация и графитация;
- одностадийный процесс: карбонизация.
Эти процессы можно осуществлять как по периодическому способу, так и по непрерывному. Выбор способа определяется продолжительностью процесса и задаваемыми свойствами УВ.
Для графитации требуется очень короткое время, поэтому ее целесообразно проводить непрерывным способом. Периодический способ нерентабелен, поскольку на нагревание и охлаждение требуется много времени, вследствие чего понижается производительность и повышается расход электроэнергии.
Стадию карбонизации можно проводить обоими способами в две стадии. Это диктуется следующими соображениями: на первой стадии выделяется большая часть смол и летучих продуктов, они могут осаждаться на волокне, а затем при более высоких температурах они разлагаются и ухудшают качество материала. При проведении процесса в две стадии на первой стадии основная часть продуктов распада удаляется из сферы реакции вместе с инертным газом, и щоэтому. не происходит ухудшения качества УВ.
Существует установка для непрерывной термической обработки гидратцеллюлозного волокна при 300 - 3000СС. Она состоит из печи и 2-х камер, в которых расположены приемные и питающие устройства.
Рассмотрим представленную технологическую схему процесса получения УВ на примере материала УВК- 40.
Процесс получения материала УВК-40 состоит из следующих стадий:
- получение ленты;
- обработка ленты раствором катализатора;
- карбонизация;
- высокотемпературная обработка углеродного материала (графитация).
Получение ленты из вискозной технической нити осуществляется на бесчелночных лентоткацких станках. Затем вискозная лента с приемного устройства поступает на пропиточную машину, где пропитывается раствором хлорида аммония, отжимается и поступает в сушильную камеру. Пропитка осуществляется в течение ЗОминут, концентрация раствора хлорида аммония 15%. Сушка проводится горячим воздухом при температуре: 1 зона- 100-110°С; 2зона- 110-120°С; 3 зона- 120-130°С.
Полученная пропитанная лента анализируется на влажность и содержание катализатора. Затем лента с помощью устройства смотки и подающих вальцев поступает в сушильную камеру печи карбонизации. Сушильная камера имеет 3 зоны обогрева: 90-105°С , 105-115°С, 115-130°С. После этого лента подвергается карбонизации при 180-340°С и через выпускные вальцы наматывается на катушки. Одновременно в печах карбонизации может обрабатываться 12 лент. Скорость движения ленты до 20м/час. Процесс проходит в среде азота, скорость подачи которого составляет 7м3/час.
В процессе термообработки нить усаживается на 20%. Выделяющиеся газообразные побочные продукты направляются по обогреваемому газоходу в адсорбер, заполненный кольцами Рашига, и орошаются раствором щелочи с концентрацией 20г/л, движущимся противотоком .
Далее полученный предматериал (карбонизированная углеродная лента) через питающие вальцы подается в печь высокотемпературной обработки в среде инертного газа. Расход газа 5,4 м3/час. Температура обработки 1200-2200°С.
Готовая продукция - УВК-40 контролируется на разрывную нагрузку, линейную плотность.
Состав ленты после карбонизации: С= 85%, 02 = 10,45%, Н2 = 4,55%. Потеря массы 38%.
Состав ленты после графитации: С= 99%, 02 = 0,99% , Н2 = 0,01%. Потеря массы 50%.
В связи с использованием высоких температур возникают большие трудности при создании оборудования процесса карбонизации и графитации, особенно при создании высокопрочного волокна с одновременным вытягиванием. Наиболее распространено получение углеродного волокна в электропечах. Однако эти печи не обеспечивают равномерного нагрева и имеют низкий коэффициент полезного действия.
В настоящее время предложены и другие методы обогрева печей карбонизации и графитации:
- предлагается в качестве носителей использовать расплавы солей, металлов, а также высококипящие термостойкие жидкости. Исходный материал погружается в жидкую фазу, благодаря чему обеспечивается хороший контакт с теплоносителем, равномерный нагрев и изоляция от кислорода воздуха. Такой процесс может быть обеспечен как по периодической, так и по непрерывной схеме. Печь имеет несколько секций с керамическими перегородками, не доходящими до дна на Змм. Через зазоры и проходит ткань, лента или нить. По выходу из печи материал попадает в камеру с инертным газом для предотвращения окисления. Скорость движения 40см/час. Транспортирующими элементами служат вальцы.
В качестве металла используют олово, сурьму, висмут. Они выдерживают температуру 1550-2000°С.
В качестве органического теплоносителя, который должен хорошо смачивать материал и поглощать продукты пиролиза, используются силиконы различных марок, а также другие термостойкие жидкости: ПЭС-5 ( полиэтиленсилоксан ). Органические теплоносители могут создать температуру до 350°С, что достаточно для стадии карбонизации.
Превращения вискозного волокна в УВ может осуществляться и с помощью радиоактивного облучения. Для этого используют Со60. Продолжительность облучения для нагрева материала до 1000°С составляет 20час.