Корзина
81 отзыв
+38(050)4875914
Контакты
ООО "Графит-Мастер"
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или физического лица-предпринимателя.
+380504875914
+380612149410
Александр Сенченко
УкраинаЗапорожская областьЗапорожьеКруговая 165
Карта

Углеродные волокна и материалы на основе углеродных волокон

Углеродные волокна и материалы на основе углеродных волокон

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА (УВ), волокна, получаемые термич. обработкой исходных хим. и прир. волокон (т. наз. прекурсов) и характеризующиеся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. Исходными служат волокна на основе гидратцеллюлозы, сополимеров акрилонитрила. нефтяных и каменноугольных пеков. Возможно использование и др. исходных волокон, напр, поливинилхлоридных, поливинилспиртовых, полиоксазольных, феноло-формальдных, но они не имеют промышленного 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 термической обработки. В ходе подготовки, обработки меняют хим. структуру волокон или вводят в них вещества, регулирующие процесс пиролиза и обеспечивающие макс, выход кокса. Первая стадия термической обработки — низкотемпературный пиролиз при температуре до 400 С, когда удаляются низкомолекулярные продукты деструкции, образуются сшитые и цикличные структуры. При этом создают такие условия, чтобы возрастающая температура размягчения (плавления) волокна оставалась выше температуры 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 соединений., 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. свойства.

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 которых являются антипиренами (фосфор- и азотсодержащие соединения., соли переходных металлов, хлорсиланы и др. ), и после сушки подвергают термической обработке с медленным подъемом температуры до 400 0C. Полиакрилонитрильные волокна подвергают термоокислительной дегидратации и предварительной циклизации. Во избежание усадки их термообработку проводят на воздухе при температуре 250-350 0C под натяжением.

Пеки подвергают термообработке в жидком состоянии при 350-400 0C с целью удаления низкомолекулярных фракций и повышения их молекулярной 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. свойства (прочность, модуль упругости) УВ. В некоторых случаях, например, для получения волокон с заданными физ. -хим. свойствами, 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 температуры термич. обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. Молекулярная структура УВ включает в основные ароматические конденсированные карбо- и гетерополицикличные фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями. В УВ содержатся гетер. атомы N, О, Si, а на поверхности имеются различные функциональные группы -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

УВ характеризуются высокой пористостью. площадь внутренней поверхсти достигает 50-400 м2/г. Форма поперечного сечения УВ такая же, как у исходных волокон, а его площадь при пиролизе и карбонизации существенно уменьшается и составляет обычно около 16-100 мкм2. Поперечное сечение УВ на основе пеков при обработке меняется мало и достигает 900 мкм2.

Все УВ можно подразделить на три вида: частично карбонизованные, угольные (карбонизованные) и графитированные, макс, температура термообработки которых соотв. ниже 500, 500-1500 и выше 1500 0C, а содержание углерода соотв. меньше 90, 91-99 и выше 99% по массе.

УВ являются полупроводниками их электрическая проводимость обусловлена подвижностью p-электронов в системе сопряжения. В зависимости от условий получения уд. электрическое сопротивление УВ может варьировать от 105 до 10-30 Ом•м, а при использовании легирующих добавок (бор, щелочные металлы) — от 105 до 10-5 Ом•м.

УВ мало гигроскопичны, но благодаря развитой поверхности они сорбируют водяные пары (до влажности порядка 0,2-2%), не меняя при этом своих физ. -мех. свойств.

УВ обладают высокой атмосферостойкостью. устойчивостью к действию света и проникающей радиации, хим. стойкостью к MH. реагентам (концентрированные кислоты и щелочи. практически все растворители). На них воздействуют лишь сильные окислители при нагревании. УВ биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. В инертной среде их можно эксплуатировать длит, время при 400-600 0C; они выдерживают кратковременное воздействие температур от 800 до 2500 0C. На воздухе температура эксплуатации не превышает 300-400 0C. Кислородный индекс УВ в зависимости от условий получения составляет 35-60%.

Часто проводят физ. и хим. модификацию исходных волокон или УВ и углеволокнистых материалов. Для повышения термоокислит. устойчивости УВ и углеволокнистых материалов на их поверхности образуют защитные слои или барьерные покрытия из карбидов кремния или тугоплавких металлов, нитрида бора. фосфатных стекол и др. B-B. Армирующие УВ и материалы на их• основе подвергают поверхностной обработке — окислению или металлизации — с целью повышения адгезии к полимерам или металлам соответственно. Варьируя условия высокотемпературной обработки, вводя легирующие добавки или образуя проводящие слои (из карбидов металлов, ионогенных групп и сорбированных на них ионов металлов), можно в широком диапазоне менять электрич. проводимость, термоэдс и др. электрофизические свойства УВ и углеволокнистых материалов.

Высокотемпературной активацией в среде водяного пара или CO2 при 600-1000 0C получают углеродные волокнистые адсорбенты (УВА) с предельным объемом сорбирующего пространства 0,3-0,9 см3/г и активной поверхностью 500-2000 м2/г. Обработкой УВА окислителями (нитраты), концентрированными растворами кислот (HNO3, H2SO4, H3PO4) и др. реагентами получают катионообменники со статической обменной емкостью 4,5-5,5 мг•экв/г. Аминированием УВА (с предварит, хлорированием или без него) в парах аммиака или пиридина при нагревании получают анионообменники со статической обменной емкостью 1,8-2,4 мг•экв/г. Ионообменники на основе УВ имеют высокую скорость ионного обмена и сохраняют обменные свойства в течение мн. циклов сорбции и регенерации.

Введением в исходные волокна или УВА солей различных металлов (Pt, Ir, Pd, Cr, V, Ag, Mn, Cu, Со, Ni, Fe и др. ) и восстановлением последних при термической обработке получают металлсодержащие углеволокнистые материалы с высокой каталитической активностью.

УВ и углеволокнистые материалы выпускают в виде волокон, нитей, жгутов, лент, шнуров, тканей, нетканых материалов, бумаги, Графитированный войлок и др. Они имеют различные названия: в СНГ — ЛУ, УКН, кулон, урал, углен, грален, эвлон, конкор, актилен, ваулен, BMH; в США — торнел, целион, фортафил; в Великобритании — модмор, графил; в Японии — торейка, куреха-лон и т. д.

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких и др. материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков и углерод-углеродных композиционных материалов. Из углеволокнистых материалов изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, и др. изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. Благодаря хим. инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок.

УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки атм. воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и др. биол. жидкостей, в повязках при лечении ран и ожогов, как лек. средство (ваулен) при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать разл. яды), как носители лек. и биологически активных B-B. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорг. и орг. синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 до SO3 и др. ).

Пром. производство УВ и углеволокнистых материалов на основе вискозных волокон начато в 1958 в США, а на основе полиакрилонитрильных волокон — в 1961 в Японии. Там же в 1970 началось производство УВ на основе нефтяных пеков. Мировое производство УВ и углеволокнистых материалов в 1990 превышало 10 тыс. т.

facebook twitter