способ получения непрерывного углеродного волокна с высоким модулем упругости

Формула изобретения

Способ получения непрерывного углеродного волокна с высоким модулем упругости, включающий подготовку ПАН-жгута на основе комплексных ПАН-нитей, имеющих 100 круток на 1 м, термостабилизацию ПАН-жгута в изотермических условиях и в аппаратах периодического действия и высокоскоростную термомеханическую обработку в нейтральной среде, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют ПАН-нити с линейной плотностью не ниже 50 текс, из них изготавливают толстый ПАН-жгут с линейной плотностью 800/1200 текс, который термостабилизируют в изометрических условиях в атмосфере воздуха по следующему ступенчатому режиму: 180°С - 1 ч, 200°С - 1 ч, 220°С - 1 ч, 240°С - 4 ч до плотности 1,43-1,45 г/см³, затем проводят высокоскоростную термомеханическую обработку термостабилизированного толстого ПАН-жгута в изометрических условиях в среде азота при температуре 2200°С в течение примерно 10 с со скоростью подъема температуры 1900-2000 град/мин, далее углеродный жгут подвергают дополнительной обработке в среде аргона при температуре выше 3000°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения углеродного непрерывного волокна с повышенным модулем упругости.

Известен способ получения углеродного волокна с повышенным модулем упругости, описанный в Трудах НИИГрафита "Директивный технологический процесс производства жгута углеродного марки ВМН-4", инв. №256, 1987.

Известный способ заключается в том, что процесс проводят в статических условиях с использованием высокотемпературной обработки. Окисленное полиакрилонитрильное волокно в виде пасм длиной до 1800 мм загружают в графитовые тигли, которые помещают в электрические печи сопротивления и подвергают волокно высокотемпературной обработке в диапазоне температур 2800-3000°С.

Недостатком известного способа является то, что волокно по этому способу получают только в дискретном виде.

Известен способ получения высокомодульного углеродного волокна, описанный в патенте ВБР №1295289, кл. С1А, опубл. 1972 г.

Известный способ заключается в том, что окисляют в среде воздуха полиакрилонитрильное волокно до плотности 1,0-1,4 г/см ³, затем окисленное волокно карбонизируют при температуре 675-725°С в течение 60-150 с в нейтральной среде, пропитывают 10-15%-ным раствором борной кислоты при температуре пропитки 40-70°С, затем сушат тепловым ударом при 200-300°С и подвергают высокотемпературной обработке в интервале температур 2000-2100°С не менее 20 с и с вытяжкой 0,-1,5%.

В результате получают углеродное волокно с плотностью 1,85-2,05 г/см³ и модулем упругости 435-470 ГПа.

Недостатком известного способа является нестабильность процесса и, соответственно, недостаточная воспроизводимость результатов. Это объясняется тем, что при температуре выше 2000°С летучесть бора увеличивается.

Известен способ получения высокомодульного углеродного волокна, описанный в одноименном патенте РФ №2016147, кл. D01F 9/22, з. 17.10.91, оп. 15.07.94.

Известный способ заключается в том, что предварительно окисленное до плотности 1,36-1,40 г/см³ полиакрилонитрильное волокно карбонизуют в нейтральной среде, пропитывают водным раствором, содержащим 5-10 мас.% борной кислоты и 5-10 мас.% тетраборнокислого натрийгидрата, и сушат термоударом при 150-250°С и ведут высокотемпературную обработку в интервале температур 2050-2150°С.

Недостатком известного способа также является нестабильность процесса и, соответственно, недостаточная воспроизводимость результатов. Это объясняется тем, что при температуре выше 2000°С летучесть бора увеличивается.

Известен способ получения углеродных волокнистых материалов, описанный в п. РФ №2017869 "Способ получения углеродных волокнистых материалов", кл. D01F 9/22, з. 19.12.91. оп. 15.08.94.

Известный способ заключается в том, что тканую ленту на основе полиакрилонитрильных нитей с круткой не более 50 м вытягивают на 5-120% при 181-219°С на воздухе, затем проводят окисление в две стадии сначала до плотности 1,22-1,28 г/см³ при деформации 0-(+15)%, затем до плотности 1,34-1,45 г/см³ при деформации (-5)-(+10)%. Окисленный материал затем подвергают двухстадийной карбонизации при конечной температуре 1800°С. Недостатком известного способа является его сложность. Известен способ получения тонких высокопрочных углеродных нитей, описанный в одноименном патенте РФ №2126855, кл. D01F 9/22, з. 09.12.96, оп. 27.02.99.

Известный способ заключается в том, что окисляют при температуре 230-260°С в течение 1,0-1,5 часов и карбонизируют предварительно и окончательно при температуре соответственно 500-700°С и 1200-1800°С полиакрилонитрильные жгутики, состоящие из 4-120 комплексных крученых нитей с углом крутки, не превышающим 2°, в виде лент, которые разделяют, а после разделения каждый из жгутиков дополнительно разделяют на составляющие углеродных нитей с линейной плотностью, в 10-300 раз меньшей линейной плотности жгутиков с последующим их разделением.

Недостаток известного способа заключается в сложности осуществления, требующей неоднократного разделения лент и жгутиков на отдельные нити.

Известен способ получения углеродного волокна, описанный в одноименном п. РФ №2130516, кл. D01F 9/22, з. 10.09.96, оп. 20.05.99.

Известный способ заключается в том, что производят окисление волокна текстильного назначения из сополимера акрилонитрила, содержащего не менее 93 мас.% акрилонитрила, метилакрилат и металлилсульфонат или стиролсульфонат натрия, в воздушной среде сначала при температуре 235-260°С в течение 35-60 мин с вытяжкой 20-30%, затем при 230-260°С в течение 85-40 мин с вытяжкой от 5 до +5% и дальнейшей карбонизацией под натяжением в среде азота при температуре от 350 до 1500°С в течение 10 мин.

Недостаток известного способа заключается в сложности процесса окисления при разных температурах с вытяжкой.

Задачей является повышение производительности способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе производства непрерывного углеродного волокна с высоким модулем упругости, включающем подготовку ПАН-жгута на основе комплексных ПАН-нитей, имеющих 100 круток на 1 метр, термостабилизацию ПАН-жгута в изотермических условиях и в аппаратах периодического действия и высокоскоростную термомеханическую обработку в нейтральной среде, согласно изобретению в качестве исходного сырья используют ПАН-нити с линейной плотностью не ниже 50 текс, из них изготавливают толстый ПАН-жгут с линейной плотностью 800/1200 текс, который термостабилизируют в изометрических условиях в атмосфере воздуха по следующему ступенчатому режиму: 180°С - 1 час, 200°С - 1 час, 220°С - 1 час, 240°С - 4 часа до плотности 1,43-1,45 г/см³, затем проводят высокоскоростную термомеханическую обработку термостабилизированного толстого ПАН-жгута в изометрических условиях в среде азота при температуре 2200°С в течение примерно 10 с со скоростью подъема температуры 1900-2000 град/мин, далее углеродный жгут подвергают дополнительной обработке в среде аргона при температуре выше 3000°С.

Использование в качестве исходного сырья ПАН-нитей с линейной плотностью не ниже 50 текс в совокупности с получением из них толстого ПАН-жгута с линейной плотностью 800/1200 текс при последующем ступенчатом режиме его термостабилизации и высокоскоростной термообработке при более низких температурах, исключающих перегрев центральной части комплексной ПАН-нити из-за экзотермических реакций циклизации и окисления, и дополнительной высокотемпературной обработке в среде аргона позволяет на тех же производственных мощностях повысить объемы производства высокомодульного углеродного волокна.

Технический результат - увеличение объема производства волокна.

Заявляемый способ может найти широкое применение в электродной промышленности, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ получения непрерывного углеродного волокна с высоким модулем упругости заключается в следующем.

На основе комплексных ПАН-нитей линейной плотностью не ниже 50 текс готовят толстый ПАН-жгут линейной плотностью 800 или 1200 текс, затем его термостабилизируют в изометрических условиях в атмосфере воздуха по следующему ступенчатому режиму: 180°С - 1 час, 200°С - 1 час, 220°С - 1 час, 240°С - 4 часа до плотности 1,43-1,45 г/см³. Далее проводят высокоскоростную термомеханическую обработку термостабилизированного толстого ПАН-жгута в изометрических условиях в среде азота при температуре 2200°С в течение примерно 10 с со скоростью подъема температуры 1900-2000 град/мин. Затем углеродный жгут подвергают дополнительной обработке в среде аргона при температуре выше 3000°С.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Вместо ПАН-нити с линейной плотностью 33,3 текс в качестве исходного сырья берут комплексную ПАН-нить с линейной плотностью не ниже 50 текс, имеющую 100 круток на 1 метр, полученную пропусканием через фильеры с числом отверстий 500 вместо ранее применявшихся фильер с числом отверстий 300, что увеличивает объем производства исходного сырья в 1,5 раза. Путем 16 или 24 сложений исходной ПАН-нити получают толстый ПАН-жгут с линейной плотностью 800 или 1200 текс. Этот толстый ПАН-жгут термостабилизируют в изометрических условиях в атмосфере воздуха по следующему ступенчатому режиму: 180°С - 1 час, 200°С - 1 час, 220°С - 1 час, 240°С - 4 часа до плотности 1,43-1,45 г/см ³. Затем проводят проводят высокоскоростную термомеханическую обработку термостабилизированного толстого ПАН-жгута в изометрических условиях в среде азота при температуре 2200°С в течение примерно 10 с со скоростью подъема температуры 1900-2000 град/мин. Затем углеродный жгут подвергают дополнительной обработке в среде аргона при температуре выше 3000°С в течение 2-5 с.

Ниже в примерах 1 и 2 приведены результаты переработки ПАН-нити по известному способу и по заявляемому способу с физико-механическими показателями и процентом выхода годного углеродного волокна.

Пример 1 (прототип). Результаты переработки ПАН-нити 33,3 текс общим весом 12848 килограммов в жгут с модулем упругости более 450 ГПа на ОАО «ЧЭЗ».

Пример 2. Результаты переработки ПАН-нити 50 текс общим весом 2692 килограмма в углеродный жгут с модулем упругости более 450 ГПа на ОАО «ЧЭЗ».