Химическая энциклопедия - углеродные волокна

Углеродные волокна

(УВ), волокна, получаемые тер-мич. обработкой исходных хим. и прир. волокон (т. наз. пре-курсов) и характеризующиеся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. Исходными служат волокна на основе гидратцеллюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и кам.-уг. пеков. Возможно использование и др. исходных волокон, напр, поливинилхлоридных, поливинилспирто-вых, полиоксазольных, феноло-формальд., но они не имеют пром. значения из-за сложной технологии получения, низкого качества и высокой стоимости УВ из них.

Получение УВ включает процессы формования исходных волокон (см. Формование химических волокон), их подготовит, обработку и три стадии термич. обработки. В ходе подготовит, обработки меняют хим. структуру волокон или вводят в них в-ва, регулирующие процесс пиролиза и обеспечивающие макс, выход кокса. Первая стадия термич. обработки низкотемпературный пиролиз при т-ре до 400 С, когда удаляются низкомол. продукты деструкции, образуются сшитые и циклич. структуры. При этом создают такие условия, чтобы возрастающая т-ра размягчения (плавления) волокна оставалась выше т-ры обработки и чтобы сохранялись ориентированное фибриллярное строение и форма волокна до его полного перехода в неплавкое состояние. Затем следуют две стадии высокотемпературной обработки карбонизация (при 800-1500 ⁰C) и графитизация (при 1500-3000 ⁰C). В их ходе завершается пиролиз, сопровождающийся удалением водорода и гетероатомов в виде летучих соед., и происходит образование углеродного полимера с заданной степенью упорядоченности. Варьируя упорядоченность структуры исходных волокон и условия высокотемпературной обработки, можно регулировать степень ориентации и кристалличность УВ, а также их физ.-мех. св-ва.

Тогда как высокотемпературная обработка проводится во всех случаях практически одинаково, подготовка и низкотемпературная обработка существенно различаются для разных видов исходных волокон. Так, гидратцеллюлозные волокна пропитывают катализаторами, многие из к-рых являются антипиренами ( фосфор и азотсодержащие соед., соли переходных металлов, хлорсиланы и др.), и после сушки подвергают термич. обработке с медленным подъемом т-ры до 400 ⁰C. Полиакрилонитрильные волокна подвергают термо-окислит. дегидратации и предварит. циклизации. Во избежание усадки их термообработку проводят на воздухе при т-ре 250-350 ⁰C под натяжением.

Пеки подвергают термообработке в жидком состоянии при 350-400 ⁰C с целью удаления низкомол. фракций и повышения их мол. массы. Формование пековых волокон ведут из расплава, после чего их подвергают окислению при 250-350 ⁰C для придания им неплавкости.

Карбонизацию и графитизацию всех видов волокон проводят в инертной среде под натяжением. Производя вытягивание, особенно на стадии графитизации, можно существенно повысить мех. св-ва (прочность, модуль упругости) УВ. В нек-рых случаях, напр, для получения волокон с заданными физ.-хим. св-вами, стадия графитизации исключается.

Вследствие высокой хрупкости готовые УВ перерабатываются с большим трудом. Поэтому текстильные материалы и изделия (ленты, шнуры, трикотаж, ткани, нетканые материалы и др.) сначала изготовляют из исходных волокон или нитей, а затем подвергают термообработке.

Хим. состав УВ зависит от условий их получения. С повышением т-ры термич. обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. Мол. структура УВ включает в осн. ароматич. конденсированные карбои гетерополицик-лич. фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями . В УВ содержатся гетероатомы N, О, Si, а на пов-сти имеются разл. функц. группы -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

T. наз. надмолекулярная структура УВ включает фибрил-лярные образования с чередованием аморфных и кристаллич. областей. Последние состоят из ленточных или плоскостных участков графитоподобной структуры. С увеличением т-ры и натяжения при высокотемпературной обработке степень ориентации и кристалличность УВ возрастают.

УВ характеризуются высокой пористостью; площадь внутр. пов-сти достигает 50-400 м ²/г. Форма поперечного сечения УВ такая же, как у исходных волокон, а его площадь при пиролизе и карбонизации существенно уменьшается и составляет обычно ок. 16-100 мкм ². Поперечное сечение УВ на основе пеков при обработке меняется мало и достигает 900 мкм ².

Все УВ можно подразделить на три вида: частично карбо-низованные, угольные (карбонизованные) и графитированные, макс, т-ра термообработки к-рых соотв. ниже 500, 500-1500 и выше 1500 ⁰C, а содержание углерода соотв. меньше 90, 91-99 и выше 99% по массе. Иногда также выделяют неск. типов УВ в зависимости от их CB-B (см. табл.).

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ УВ