высокотемпературная стабилизация пековых волокон при низкой концентрации окислителя

Формула изобретения

1. Способ регулирования выделения тепла во время окислительной стабилизации пековых волокон, включающий нагревание пековых волокон до начальной рабочей температуры, по меньшей мере равной температуре прядения этих пековых волокон, при одновременном контактировании пековых волокон с газовым потоком, причем этот газ содержит до 8 об.% кислорода, ограничение выделения тепла вследствие окисления волокон и выдержку пековых волокон при повышенной температуре при контактировании этих пековых волокон с газовым потоком в течение периода времени, достаточного для стабилизации пековых волокон.

2. Способ по п.1, в котором выделение тепла вследствие окисления волокон регулируют варьированием расхода этого газового потока и/или концентрации окислителя в таком газовом потоке.

3. Способ по п.1, в котором расход газового потока составляет при нормальных условиях от примерно 10000 до примерно 100000 л/мин/м².

4. Способ по п.1, в котором газ потока представляет собой газ, который нереакционноспособен в отношении пековых волокон, а окислитель выбирают из группы, включающей кислород, диоксид углерода, окислы азота и серы и Cl₄O₃.

5. Способ по п.1, в котором температура размягчения пековых волокон составляет по меньшей мере 300^oС.

6. Способ по п.1, в котором пековые волокна выдерживают при температуре в интервале от примерно 250 до примерно 500^oС в течение периода времени, составляющего от примерно 1 до примерно 150 мин.

7. Способ регулирования выделения тепла во время окислительной стабилизации пековых волокон, включающий объединение пековых волокон в виде войлока, плотность которого составляет по меньшей мере 900 г/м², нагревание пековых волокон до начальной рабочей температуры, по меньшей мере равной температуре прядения этих пековых волокон, при одновременном контактировании пековых волокон с газовым потоком, причем этот газ содержит окислитель, ограничение выделения тепла вследствие окисления волокон и выдержку пековых волокон при повышенной температуре при контактировании этих пековых волокон с газовым потоком в течение периода времени, достаточного для стабилизации пековых волокон.

8. Способ по п.7, в котором доля окислителя составляет 8 об.% или меньше от количества истекающего газового потока.

9. Способ по п.8, в котором расход истекающего газового потока составляет при нормальных условиях от примерно 10000 до примерно 100000 л/мин/м².

Описание изобретения к патенту

I. Предпосылки создания изобретения

Изобретение относится к области изготовления углеродных волокон из углеродистых пеков. Типичный способ изготовления углеродных волокон на пековой основе может включать следующие стадии: (1) получение пека, пригодного для прядения; (2) прядение пека с изготовлением сформованных пековых волокон; (3) термоотверждение (стабилизация) пековых волокон с тем, чтобы сделать их неплавкими, т. е. неспособными плавиться, и (4) карбонизация волокон нагреванием стабилизированных волокон до температуры карбонизации.

В описанном способе сформованное пековое волокно на стадии (2) состоит из термопластичного материала. Таким образом, результатом дополнительного нагрева этого волокна является плавление и потеря волокном структуры. Следовательно, перед карбонизацией волокно необходимо сделать неплавким, т.е. термореактивным. Процесс термоотверждения общеизвестен как окислительная стабилизация благодаря нагреву волокна в присутствии окислителя. В ходе проведения типичного процесса стабилизации на волокна после прядения воздействуют высококонцентрированным окислителем при начальной технологической температуре, которая ниже температуры прядения волокна.

Температура в ходе проведения процесса стабилизации зависит от диффузии кислорода внутрь волокна, где кислород вступает в реакцию и ускоряет сшивание молекул пека. Поскольку скорость такой реакции зависит от температуры, более низкая температура стабилизации обусловливает потребность в более длительном периоде времени для завершения окислительной стабилизации волокна. Общая потребность в кислороде для стабилизации обычно зависит от природы пека. Как правило, для завершения процесса стабилизации пеков с низкой температурой размягчения необходимы более длительные периоды времени и более значительные количества кислорода. В качестве окислителя, как правило, используют воздух (приблизительно 21% кислорода).

Для повышения экономичности процесса было бы предпочтительнее стабилизировать (подвергать термоотверждению) сформованное волокно при высокой температуре и в условиях высокой концентрации кислорода с целью завершать процесс стабилизации в течение наиболее короткого промежутка времени. Однако высокая концентрация кислорода и повышенная температура увеличивают возможность протекания неконтролируемых экзотермических окислительных реакций. Реакции этого типа особенно опасны в случае присутствия высоколетучих углеводородов. Самая современная в данной области техники практика сведения к минимальному риску бесконтрольного выделения тепла состоит в ограничении технологической температуры и количества обрабатываемого волокна.

В дополнение к потребности предотвратить протекание неконтролируемой экзотермической реакции и потери углеродной массы необходимо в процессе стабилизации также сохранить структуру волокна. Таким образом, температура нагрева не должна превышать точку размягчения волокна. Следовательно, волокна, изготовленные из мягких пеков с низкой температурой плавления необходимо стабилизировать при более низких температурах, чем волокна, изготовленные из твердых пеков с высокой температурой плавления.

Очевидно, что в случае обработки большого количества волокна в течение короткого периода времени современные технологические методы обладают заметными недостатками. Потребность в ограничении температуры, концентрации окислителя и количества волокна в процессе стабилизации обусловливает более высокие, чем это необходимо, технологические затраты и уменьшает ценность и прочность волокна, а также создает явный технологический риск. Для устранения недостатков современных способов более предпочтительно следовало бы использовать низкоконцентрированный окислитель в сочетании с высокотемпературным нагревом при одновременном устранении опасности неконтролируемого выделения тепла и утраты волокном размера. В предпочтительном варианте такой способ должен обеспечивать получение стабилизированных волокон в течение короткого периода времени и повышение технологической эффективности.

Для достижения этих целей по настоящему изобретению предлагается способ стабилизации пековых волокон с использованием низкоконцентрированного окислителя при высокой температуре и в течение короткого периода времени. В этом новом способе стабилизация сердцевины волокна достигается без чрезмерного поверхностного окисления. Кроме того, по настоящему изобретению предлагается пековое волокно, которое становится стабилизированным в его сердцевинной зоне со скоростью, которой достаточно для предотвращения избыточной потери углерода на поверхности волокна вследствие окисления. Более того, волокна поглощают минимальное количество кислорода. Эти и другие преимущества настоящего изобретения более подробно описаны ниже. В контексте настоящего описания понятия "стабилизация" и "термоотверждение" использованы как взаимозаменяющие.

II. Краткое изложение сущности изобретения

По настоящему изобретению предлагается новый способ стабилизации пековых волокон. В соответствии с предлагаемым способом пековые волокна нагревают до температуры, равной или превышающей температуру прядения этих волокон. В процессе нагрева волокна подвергают воздействию окислителем в течение периода времени, достаточного для стабилизации, т.е. термоотверждения, волокон.

Таким образом, объектом настоящего изобретения является способ стабилизации пековых волокон с применением непрерывной их выдержки при повышенной температуре в присутствии газового потока. Этот способ позволяет значительно уменьшить опасность протекания неконтролируемых экзотермических реакций. В соответствии с этим новым способом пековые волокна нагревают до температуры, которая по меньшей мере равна температуре прядения таких волокон. В процессе нагрева волокна находятся в контакте с газовым потоком, который включает окислитель. Расход потока газа достаточен для отвода от волокон избытка тепла в ходе проведения процесса стабилизации, что позволяет регулировать количество выделяющегося во время реакции тепла. Воздействие окислителя на волокна поддерживают в течение периода времени, достаточного для стабилизации волокон.

Далее, объектом настоящего изобретения является пековое волокно, точка размягчения которого составляет по меньшей мере 300^oС. Это новое волокно характеризуется такой скоростью диффундирования кислорода к его центральной части, которая приблизительно равна или превышает скорость окисления на поверхности волокна. Таким образом, центральная часть волокна становится окислительно стабилизированной со скоростью, лежащей в пределах от несколько меньшей до превышающей скорость потребления углерода кислородом на поверхности волокна. Следовательно, настоящее изобретение позволяет предотвратить чрезмерную потерю углерода на поверхности волокна. Окислительную стабилизацию волокна можно проводить при температуре, равной или превышающей температуру прядения волокна, в атмосфере, включающей до десяти объемных процентов окислителя. Предпочтительная концентрация окислителя обычно меньше восьми объемных процентов. И, наконец, в зависимости от рабочих условий и используемого исходного материала эти волокна могут быть окислительно стабилизированы в течение менее десяти минут.

Кроме того, объектом настоящего изобретения является полученный из пекового волокна войлок, плотность которого составляет по меньшей мере 900 г/м² и который способен подвергаться окислительной стабилизации. Несмотря на высокую плотность волокон, войлок из нового пекового волокна подвергается окислительной стабилизации без потери волокном структуры, когда его выдерживают при повышенной температуре в движущемся газовом потоке, включающем окислитель.

III. Подробное описание изобретения

В приведенном ниже описании изобретение поясняется на примере стабилизации пековых волокон. Однако настоящее изобретение в равной мере применимо для стабилизации других искусственных изделий или объектов, выполненных из пека.

А. Высокотемпературная стабилизация пековых волокон

Стабилизация пековых волокон представляет собой процесс, в ходе проведения которого происходит сшивание крупных ароматических молекул пека. Кроме того, с пековым углеродом взаимодействует кислород с образованием газообразных окислов углерода при протекании процесса, известного как выжигание. Если диффузия проходит относительно медленно, доминирует окисление на поверхности (выжигание), тогда как центральная часть волокна остается нестабилизированной. Если же диффузия проходит относительно быстро, кислород проникает во внутреннюю часть пекового искусственного изделия и стабилизирует ее (образуя поперечные сшивки) при небольшом поверхностном выжигании. В соответствии с настоящим изобретением скорость диффундирования кислорода внутрь пекового волокна для достижения эффекта стабилизации должна быть конкурентоспособной или превышать скорость, с которой кислород вступает во взаимодействие с потреблением углерода на поверхности волокна. Таким образом, волокна можно стабилизировать при рабочей температуре 300^oС и выше.

До создания настоящего изобретения в данной области техники существовало мнение, что стабилизация в условиях высокой температуры и низкой концентрации кислорода могла бы привести к чрезмерному выжиганию поверхности волокна вследствие недостаточной диффузии кислорода в центральную часть волокна. В конечном счете такое выжигание могло бы ослабить или разрушить волокно. Как отмечено выше, прибегнуть к повышению концентрации кислорода при высокой температуре в качестве средства повышения скорости реакции невозможно из-за опасности плавления волокна и протекания слишком экзотермических реакций. Несмотря на такое существующее в данной области техники мнение, приведенные ниже примеры ясно показывают, что по настоящему изобретению предлагается способ стабилизации пековых волокон при высокой температуре и низкой концентрации окислителя.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения окислителем служит кислород в несущем газе в концентрации восемь объемных процентов (8%). Предпочтительным газообразным носителем является азот. В новом способе применяют пековые волокна, температура размягчения которых превышает 300^oС. Эти волокна могут быть изготовлены прядением сольватированного мезофазного пека с последующим удалением из сформованных пековых волокон сольватирующего растворителя. Способы приготовления сольватированного мезофазного пека описаны в патентах US 5259947, US 5437780 и US 5540903, которые включены в настоящее описание в качестве ссылок. Далее, изготовление волокон из сольватированного мезофазного пека описано в заявке на патент США 08/791443 и патенте US 5648041, которые включены в настоящее описание в качестве ссылок.

По предлагаемому способу волокна изготавливают прядением сольватированного мезофазного пека при температуре 220-340^oС. После прядения волокон из этих сформованных пековых волокон удаляют сольватирующий растворитель. Растворитель удаляют, как правило, выпариванием при нагреве волокна и его обдуве газовым потоком. Однако метод удаления растворителя при выполнении настоящего изобретения решающего значения не имеет. Удаление растворителя повышает температуру размягчения волокон по меньшей мере на 40^oС. Часто удаление растворителя вызывает повышение температуры размягчения волокна на 100^oС или более.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения твердое пековое волокно быстро нагревают до начальной рабочей температуры. Начальная рабочая температура по меньшей мере равна температуре прядения волокна.

Начальная рабочая температура может лежать в интервале, который на 10-90^oС ниже точки размягчения сухого пека. Предпочтительная начальная рабочая температура по меньшей мере на 40^oС ниже точки размягчения сухого пека. Таким образом, начальная рабочая температура может составлять от 250 до 500^oС, предпочтительна по меньшей мере 300^oС.

Обычно волокна нагревают со скоростью, достаточной для достижения начальной рабочей температуры, в течение менее 15 мин, предпочтительно менее 5 мин. Для достижения эффекта стабилизации по настоящему изобретению начальную рабочую температуру поддерживают в течение 1-60 мин. По завершении этого начального периода времени температуру можно повысить, если требуется дополнительная стабилизация, однако рабочую температуру необходимо поддерживать на уровне, который ниже точки мгновенного размягчения волокна. Общая продолжительность стабилизации обычно зависит от ряда факторов, включая температуру плавления волокна, диаметр волокна, концентрацию окислителя и температуру окисления. Как правило, общая продолжительность процесса составляет от примерно 1 до примерно 150 мин. Предпочтительная общая продолжительность выдержки при повышенной температуре составляет менее 60 мин. Более предпочтительная общая продолжительность выдержки при повышенной температуре составляет менее 10 мин.

Во время указанного процесса выдержки при повышенной температуре с волокном контактирует истекающий газовый поток, включающий окислитель. Концентрация окислителя может находиться в интервале от приблизительно 2 до почти 21 об. %. Предпочтительная концентрация окислителя обычно составляет менее 10 об. %. Обычно в качестве окислителя в способе по настоящему изобретению используют кислород, а в качестве газообразного носителя - азот. Однако в объеме настоящего изобретения предусмотрена возможность применения и других окислителей и газов. Так, например, в объеме настоящего изобретения функцию мягких газообразных окислителей могут также выполнять такие газы, как окислы азота, окислы серы, диоксид углерода и Сl₄О₃ в составе газообразного носителя или без такового.

Газовый поток, описанный выше, служит двум целям. Во-первых, он вводит окислитель в контакт с пековыми волокнами. Во-вторых, прохождение газового потока между волокнами позволяет отводить от волокон избыток тепла. Таким образом, настоящее изобретение дает возможность регулировать экзотермическую реакцию, свойственную процессу стабилизации, путем варьирования расхода газового потока, концентрации кислорода и плотности войлока из волокон. В предпочтительном варианте сбалансирование этих переменных обычно осуществляют таким образом, чтобы экзотермическая реакция вызывала рост температуры менее чем на 50^oС. Таким образом, по настоящему изобретению значительно уменьшается опасность протекания реакций с неконтролируемым выделением тепла.

Ниже изобретение проиллюстрировано на примерах, которые не ограничивают его объем. В этих примерах о завершении стабилизации судят по результатам воздействия на волокна открытым пламенем спички до их красного каления. Волокна считают полностью стабилизированными, если во время "теста спичкой" они не плавятся. Указываемые в приведенных ниже примерах объемы рассматривают как определенные в условиях нормальных температуры и давления.

Пример 1. Известный метод стабилизации

Из декантированного продукта нефтепереработки отгоняли легкие фракции с получением остатка при 454^oС и выше. По данным С¹³-ЯМР-анализа этот остаток содержал 82% ароматических углеродных атомов. Этот остаток переработки декантированного нефтепродукта в качестве термокрекируемого материала выдерживали в реакционной камере в течение 6 ч при 390-400^oС, а затем подвергали вакуумному обезмасливанию с получением изотропного пека из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала.

Пек из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала с помощью растворителя разделяли на фракции путем разжижения пека и фильтрования с последующей отбраковкой мезогенов. Измельченный пек объединяли с горячим толуолом в массовом соотношении 1: 1, получая жидкую смесь. Эту жидкую смесь перемешивали при 110^oС до исчезновения всех комков пека. Добавляли броунмиллеритовый ускоритель фильтрования и смесь фильтровали для удаления из жидкости нерастворимых компонентов.

Горячий жидкий фильтрат смешивали с дополнительным растворителем, осаждая мезогены. Этим дополнительным растворителем служила совместная смесь толуола с небольшим количеством гептана. Каждый килограмм пека из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала смешивали в общей сложности с 6,9 л совместной смеси растворителей для осаждения содержавшихся в жидком фильтрате мезогенов. Смесь нагревали до 100^oС, а затем охлаждали до 30^oС и фильтрованием собирали нерастворимые мезогены. Эти нерастворимые компоненты промывали растворителем, а затем сушили. По данным наблюдений нерастворимые компоненты размягчались при 310^oС и плавились при 335^oС.

Пек плавили и при 381^oС из него пряли волокно. Диаметр необработанных или только что сформованных отдельных волокон составлял 42 мкм. Необработанные волокна окисляли в ТГА-аппарате (термогравиметрический анализ) при 260^oС на воздухе и расходе потока 60 мл/мин в течение 90 и 120 мин. Увеличение массы волокон, которые окисляли в течение 90 мин, составляло 3,0 мас. %, а тех, которые окисляли в течение 120 мин, было равным 4,8 мас.%. Волокна, обработанные в течение 120 мин, выдерживали тест спичкой, тогда как образец, обработанный в течение 90 мин, не выдерживал.

Пример 2. Стабилизация по известному методу более высокоплавкого пекового волокна

Декантированный продукт нефтеперерабатывающей установки подвергали разделению на фракции под вакуумом, получая дистиллят с температурой кипения в интервале от 393 до 510^oС. Этот дистиллят подвергали термокрекированию с выдержкой в реакционной камере в течение 2,6 ч при 440^oС, получая изотропный пек из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала. Мезогеновый остаток пека из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала осаждали путем экстракции легких компонентов. Пек из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала объединяли с 4,75 мас. ч. ксилола и смешивали в условиях самопроизвольно создававшегося давления при примерно 240^oС.

Полученные нерастворимые компоненты сушили удалением растворителя. Высушенные нерастворимые компоненты объединяли с 22 мас.% фенантрена и перемешивали в расплавленном состоянии с получением сольватированного мезофазного пека. Этот пек на 93 об.% был анизотропным и при 209^oС имел по данным испытаний вязкость 1000 П (пуаз). Высушенные нерастворимые компоненты этого пека размягчались при 384^oС и плавились при 395^oС. Сольватированную мезофазу пряли при 270^oС с получением необработанного волокна диаметром 42 мкм. Это волокно сушили удалением фенантрена, а затем окисляли в ТГА-аппарате при 260^oС на воздухе при расходе потока 60 мл/мин в течение 45 и 60 мин. Увеличение массы волокон, которые окисляли в течение 45 мин, составляло 1,6 мас.%, а тех, которые окисляли в течение 60 мин, было равным 2,4 мас.%. Волокна, окисленные в течение 60 мин, выдерживали тест спичкой, тогда как волокна, окисленные в течение 45 мин, теста спичкой не выдерживали.

Полученные в примере 2 результаты свидетельствуют о том, что в случае обработки в одинаковых условиях волокна из более высокоплавкого пека стабилизируются быстрее волокон из примера 1 из обычного пека. Это указывает на то, что для превращения более высокоплавкого тяжелого пекового компонента сольватированной мезофазы в термореактивный материал требуется меньше кислорода.

Пример 3. Стабилизация волокон из высокоплавкого пека на воздухе

Декантированный продукт нефтепереработки разделяли на фракции под вакуумом, получая дистиллят с температурой кипения в интервале от 399 до 516^oС. По данным С¹³-ЯМР-анализа этот дистиллят содержал 70% ароматических углеродных атомов. Этот дистиллят подвергали термокрекированию с выдержкой в реакционной камере в течение 11,5 ч при 413^oС, получая изотропный пек из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала.

Мезогеновый остаток пека из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала осаждали путем экстракции легких компонентов. Пек из термокрекированного, выдержанного в реакционной камере материала объединяли с 3,05 мас.ч. ксилола и смешивали в условиях самопроизвольно создававшегося давления при примерно 240^oС. Полученные нерастворимые компоненты сушили удалением растворителя. Высушенные нерастворимые компоненты объединяли с 22 мас.% фенантрена и перемешивали в расплавленном состоянии с получением сольватированного мезофазного пека. Этот пек на 94 об.% был анизотропным и при 216^oС имел по данным испытаний вязкость 1000 П. Высушенные нерастворимые компоненты этого пека размягчались при 393^oС и плавились при 422^oС. Сольватированную мезофазу пряли при 254^oС с получением необработанного волокна диаметром 14 мкм. Это волокно сушили удалением фенантрена, а затем окисляли при 260^oС в испытательном цилиндре диаметром 2,54 см на воздухе при расходе потока 37 л/мин в течение 15 (340 г/м²), 25 (197 г/м²) и 30 мин (494 г/м²). Числа, приведенные в скобках, представляют собой значения плотности войлока из волокон, использованных в этих экспериментах. Образцы анализировали на содержание кислорода с помощью прибора LECO RO-478 Oxygen Determinator. Волокна, обработанные в течение 15, 25 и 30 мин, включали соответственно 2,6, 3,4 и 4,0 мас.% кислорода. Волокна, окисленные в течение 25 и 30 мин, выдерживали тест спичкой, тогда как волокна, окисленные в течение 15 мин, не выдерживали.

Пример 4. Стабилизация в 4% кислорода при 260^oС

Такое же, как и в примере 3, необработанное волокно диаметром 14 мкм сушили, а затем окисляли в испытательном цилиндре 2,54 см при 4%-ном содержании кислорода в азоте, расходе потока 37 л/мин и 260^oС в течение 50 (286 г/м²) и 125 мин (265 г/м²). Числа, приведенные в скобках, представляют собой значения плотности войлока из волокон, использованных в этих экспериментах. Образцы анализировали на содержание кислорода с помощью прибора LECO RO-478 Oxygen Determinator. Волокна, обработанные в течение 50 и 125 мин, включали соответственно 2,0 и 3,3 мас.% кислорода. Волокна, окисленные в течение 125 мин, выдерживали тест спичкой, тогда как волокна, окисленные в течение 50 мин, не выдерживали.

Полученные в примере 4 результаты свидетельствуют о полноте стабилизации волокна при низкой концентрации кислорода. Этот пример также подтверждает меньшую степень окисления при пониженной концентрации кислорода.

Пример 5. Стабилизация в 4% кислорода при 350^oС

Волокна диаметром 15-20 мкм, изготовленные из сольватированного пека по методике, описанной в примере 3, и сформованные прядением при 254^oС, сушили, а затем окисляли в испытательном цилиндре 2,54 см при 4%-ном содержании кислорода в азоте, расходе потока 37 л/мин и 350^oС в течение 3 (1715 г/м²), 4 (1871 г/м²) и 8 мин (284 г/м²). Числа, приведенные в скобках, представляют собой значения плотности войлока из волокон, использованных в этих экспериментах. Образцы анализировали на содержание кислорода с помощью прибора LECO RO-478 Oxygen Determinator. Волокна, обработанные в течение 3 и 8 мин, включали соответственно 0,7 и 1,7 мас.% кислорода. Волокна, окисленные в течение 4 и 8 мин, выдерживали тест спичкой, тогда как волокна, окисленные в течение 3 мин, не выдерживали. Некоторые из окисленных волокон подвергали также карбонизации до 1600^oС в азоте и для подтверждения полноты стабилизации использовали растровую электронную микроскопию.

Пример 6. Стабилизация в 2% кислорода при 350^oС

Волокна, изготовленные по методике, описанной в примере 5, сушили, а затем окисляли в испытательном цилиндре 2,54 см при 2%-ном содержании кислорода в азоте, расходе потока 37 л/мин и 350^oС в течение 6 (2247 г/м²) и 10 мин (1802 г/м²). Числа, приведенные в скобках, представляют собой значения плотности войлока из волокон, использованных в этих экспериментах. Образцы анализировали на содержание кислорода с помощью прибора LECO RO-478 Oxygen Determinator. Волокна, обработанные в течение 6 и 10 мин, включали соответственно 1,1 и 0,8 мас.% кислорода. По завершении окислительной обработки волокна, окисленные в течение 10 мин, тест спичкой выдерживали.

Полученные в примерах 5 и 6 результаты 6 демонстрируют уникальные скорость и полноту стабилизации волокон из высокоплавкого пека по настоящему изобретению при высоких температурах и низких концентрациях кислорода. Эти примеры показывают, что для стабилизации таких волокон, а также для полноты диффузии кислорода в центральную часть волокна при повышенной стабилизационной температуре требуется пониженное содержание кислорода. Кроме того, эти волокна можно окислять при высокой плотности войлока без существенной опасности неконтролируемого выделения тепла. Технологические условия и результаты каждого примера сведены в приведенную ниже таблицу.

Б. Пековое волокно, проявляющее повышенную скорость диффузии кислорода.

До создания предлагаемых пековых волокон стабилизация волокон при высокой температуре и низкой концентрации кислорода была невозможной. В отличие от ранее известных пековых волокон новые пековые волокна по изобретению характеризуются способностью к быстрому термоотверждению при высокой температуре и низкой концентрации кислорода. Более того, точка размягчения пековых волокон по изобретению превышает 300^oС, предпочтительно превышает 350^oС. Таким образом, эти волокна можно подвергать обработке в процессе стабилизации при температуре, которая превышает температуру прядения волокна.

Одной из новых характеристик предлагаемых волокон является скорость диффузии кислорода к центральной части волокна, которая приблизительно равна или выше скорости поверхностного окисления волокна. Волокна сохраняют это свойство, даже когда температура стабилизации превышает 300^oС, а содержание кислорода составляет 2-4 об.%. Предпочтительные волокна по настоящему изобретению обычно пригодны для стабилизации при температуре свыше 350^oС и содержании кислорода в интервале 2-21 об.%, предпочтительно в интервале 2-10 об. %. Как правило, эти волокна стабилизируют в течение примерно 2-30 мин.

Эти новые волокна обладают заметными преимуществами перед ранее известными пековыми волокнами. В результате быстрой стабилизации пековых волокон по изобретению в процессе изготовления углеродных волокон резко снижаются технологические расходы. Более того, в процессе изготовления этих новых волокон улучшаются условия безопасности во время стабилизации благодаря применению кислорода в концентрации, которая ниже предела детонации или воспламеняемости его смеси с парами растворителя и образующимися во время стабилизации побочными продуктами.

Когда эти волокна собраны в войлоке, они образуют войлок, в котором волокна легко стабилизировать. В частности, волокна в войлоке плотностью, достигающей 900 г/м² или больше, можно стабилизировать без существенной опасности бесконтрольного тепловыделения. Как и в случае волокон, войлок нагревают в присутствии истекающего газового потока. Как правило, этот истекающий газовый поток содержит, как указано выше, до 8 об.% окислителя. Предпочтительным окислителем является кислород, а предпочтительным газообразным носителем служит азот, однако, как сказано выше, предусмотрена возможность других сочетаний. Обычно войлок из таких волокон стабилизируют, когда расход газового потока в нормальных условиях находится в пределах от примерно 10000 до примерно 100000 л/мин/м².

Хотя выше изобретение описано на конкретных вариантах его осуществления и примерах, для специалистов в данной области техники очевидно, что в эти варианты можно вносить различные изменения и осуществлять модификации, не выходя при этом за объем изобретения. Таким образом, фактический объем и сущность изобретения определяются только формулой изобретения.