способ получения полиакрилонитрильных жгутов, пригодных для производства высокопрочных углеродных волокон

Формула изобретения

Способ получения полиакрилонитрильных жгутов, пригодных для производства высокопрочных углеродных волокон, формованием по мокрому способу и ориентационным вытягиванием с кратностью 8 16, отличающийся тем, что в процессе вытягивания к жгуту прикладывают нормальное напряжение, составляющее 0,5 5,0% от разрывного напряжения жгута.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства полиакрилонитрильных жгутов (ПАН-жгутов), применяемых в производстве высокопрочных углеродных волокон. Такие ПАН-жгуты должны обладать высокой ориентацией, не содержать посторонних примесей и иметь высокую равномерность свойств элементарных волокон, из которых эти жгуты состоят. Данное изобретение направлено на повышение равномерности свойств элементарных волокон, особенно их прочности и диаметра. Неравномерность диаметра волокон и соответственно их прочность зависит от колебаний размеров отверстий фильер, флуктуаций вязкости и неравномерности температуры прядильного раствора, а также условий проведения ориентационной вытяжки.

Известно, что при ориентационной вытяжке синтетических волокон происходит разрушение сферолитной структуры, характерной для исходного невытянутого волокна и образование фибриллярной структуры, которая присуща ориентированным волокнам [1] При разрушении сферолитной структуры образуется шейка, которая распространяется по всей длине волокна. Разрушение сферолитной структуры начинается в дефектных местах невытянутого волокна, которые расположена в зоне вытягивания статистически. Следовательно, вытягивание разных элементарных волокон в жгута начинается в разных точках и в разное время. Для того, чтобы гарантированно обеспечить полное вытягивание всех элементарных волокон, кратность вытяжки повышают до 14-18. Тем не менее необходимая степень равномерности при этом не достигается, а отдельные волокна "перетягиваются", что в последующем приводит к потере прочности углеродных волокон в пластике, т.е. неполной реализации прочности углеродного волокна в пластике [2,3]

Наиболее близким изобретению является способ получения полиакрилонитрильных волокон (жгутов), пригодных для производства высокопрочных углеродных волокон формованием и ориентационным вытягиванием с кратностью вытяжки 8-16. Прочность получаемых углеродных волокон составляет более 320 кгс/мм² [4]

Снижение кратности вытягивания позволяет исключить образование "перетянутых" волокон, но гарантированного полного вытягивания всех элементарных волокон в жгуте не достигается, а указанная прочность связана с тем, что в раствор сополимера перед формованием волокна вводят соединения металлов (Zn, Cu).

Технической задачей изобретения является повышение равномерности свойств элементарных волокон, а именно: обеспечение гарантированного равномерного вытягивания каждого элементарного волокна в жгуте, что позволяет наиболее полно реализовать прочность углеродных волокон в пластике.

Данная техническая задача решается тем, что в процессе вытягивания к жгуту прикладывают нормальное напряжение, составляющее 0,5-50% от разрывного напряжения жгута, которое инициирует разрушение сферолитной структуры на коротком участке движения жгута и тем самым приводит к одновременному протеканию ориентационной вытяжки всех элементарных волокон по поперечному сечению жгута. Благодаря повышению равномерности протекания вытяжки равномерность свойств элементарных волокон повышается в 1,5-2,2 раза. Кроме того, можно снизить кратность вытяжки до 8-13, что позволяет исключить образование "перетянутых" волокон и повысить реализацию прочности углеродных волокон в пластике.

Ниже приводятся примеры выполнения предложенного способа в сравнении с применяемым в настоящее время [5]

Пример 1. Существующий способ. Полиакрилонитрильный жгут линейной плотности 850 текс, состоящий из тройного сополимера, содержащего 92,5% акрилонитрила, 6,0% метилакрилата и 1,5% итаконовой кислоты, формуют из 12% прядильного раствора в роданиде натрия в осадительную ванну, содержащую 12% роданида натрия с температурой 10^oC. Жгут подвергают трехступенчатой вытяжке между вальцами, вращающимися с разной скоростью (рис. 1.1.). Расстояние между вальцами, т. е. поле вытяжки 1,2 м. Общая кратность вытяжки 17. Вытягивание идет беспорядочно, т.е. соответственно статистическому расположению дефектных мест во всем поле вытяжки. Волокно имеет коэффициент вариации по прочности и диаметру элементарных волокон соответственно 16,0 и 7,5% Углеродное волокно, полученное из ПАН-жгута имеет прочность 350 кгс/мм², углепластик с 60% наполнением 180 кгс/мм².

Пример 2. ПАН-жгут с показателями, как в примере 1, подвергают двухступенчатой вытяжке между вальцами (рис. 1.2.). К вытягиваемому жгуту прикладывают напряжение, равное 30% от разрывного усилия путем прижима жгута к вальцу 1,2 первых триовальцев. Общая кратность вытяжки 14. Коэффициент элементарных волокон по прочности и диаметру соответственно равны 12,5 и 6,9% Прочность углеродного волокна, полученного из ПАН-жгутов равна 410 кгс/мм², а прочность углепластика 215 кгс/мм².

Пример 3. ПАН-жгут с показателями, как в примере 1, подвергают двухступенчатой вытяжке между вальцами (рис. 1.3.). В поле вытяжки к жгуту прикладывают нормальное напряжение, равное 50% от разрывного с помощью двух прижимаемых друг к другу вальцев пневмоцилиндра.

Общая кратность вытяжки 12. Коэффициент вариации элементарных волокон по прочности и диаметру соответственно равны 12,3 и 6,8% Прочность углеродного волокна благодаря повышению равномерности свойств элементарных волокон возрастает до 420 кгс/мм², а прочность углепластика 220 кгс/мм².

Пример 4. ПАН-жгут с показателями, как в примере 1, подвергают двухступенчатой вытяжке между двумя триовальцами. Общая кратность вытяжки 12,5. Один из вальцев 3 (рис. 1.4.) у входных триовальцев имеет на поверхности стержни 4, которые создают нормальное напряжение на вытягиваемом жгуте в размере 30% от разрывного напряжения. Равномерность свойств элементарных волокон возрастает. Коэффициент вариации по прочности и диаметру элементарных волокон соответственно равны 13,5 и 7,1% Прочность углеродного волокна возрастает до 420 кгс/мм², а прочность углепластика до 210 кгс/мм².

Пример 5. Вытягиванию подвергают ПАН-жгут, как в примере 1, но перед формованием из прядильного раствора удаляют дисперсные частицы размером больше 2 мкм. Жгут подвергают двухступенчатой вытяжке между вальцами, вращающимися с разной скоростью. В поле вытяжки к жгуту прикладывают нормальное напряжение, равное 0,5% от разрывного путем его обдува с двух сторон паром (рис. 1.5.).

Общая кратность вытяжки 8. Коэффициенты вариации элементарных волокон по прочности и диаметру соответственно равны 10,5 и 5,5% Прочность углеродного волокна равна 410 кгс/мм², а прочность углепластика 207 кгс/мм².

Пример 6. Вытягиванию подвергают ПАН-жгут, как в примерах 1 и 3, с тем отличием, что его формование проводят на осадительной ванне, содержащей 16% роданида натрия. Вытяжка осуществляется двухступенчато. Общая кратность вытяжки 13. Нормальное напряжение к жгуту в поле вытяжки, равное 2% от разрывного, прикладывают с помощью струй жидкости (рис. 1.6.). Равномерность элементарных волокон характеризуется коэффициентами вариации по их прочности и диаметру, которые соответственно равны 11,2 и 6,5% Прочность углеродного волокна равна 460 кгс/мм², а прочность углепластика 250 кгс/мм².

Пример 7. Вытягиванию подвергают ПАН-жгут, как в примерах 1 и 3, с тем отличием, что его формование осуществляют в ванне, содержащей 24% роданида натрия. Вытяжка осуществляется двухступенчато, в 12 раз. Нормальное напряжение к жгуту, равное 5% от разрывного, прикладывается с помощью стержня 5 (рис. 1.7.). Коэффициенты вариации элементарных волокон в жгуте по прочности и диаметру соответственно равны 10,1 и 5,3% Прочность углеродного волокна равна 460 кгс/мм², а прочность углепластика 250 кгс/мм².

Пример 8. Вытягиванию подвергают жгут, как в примере 2. Прижимной валец 2 (рис. 1.2.), имеет температуру 160^oC. Общая кратность вытяжки 16. Коэффициенты вариации элементарных волокон по прочности и диаметру соответственно равны 12,8 и 6,5% Прочность углеродного волокна равна 410 кгс/мм², а прочность углепластика 207 кгс/мм².