химический каталог




УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА (УВ), волокна, получаемые термической обработкой исходных химический и природные волокон (так называемой прекурсов) 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, поливинилспиртовых, полиоксазольных, феноло-формальд., но они не имеют пром. значения из-за сложной технологии получения, низкого качества и высокой стоимости УВ из них.

Получение УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА включает процессы формования исходных волокон (см. Формование химических волокон), их подготовит, обработку и три стадии термодинамически обработки. В ходе подготовит, обработки меняют химический структуру волокон или вводят в них вещества, регулирующие процесс пиролиза и обеспечивающие макс, выход кокса. Первая стадия термодинамически обработки - низкотемпературный пиролиз при температуре до 400 С, когда удаляются низкомолекулярный продукты деструкции, образуются сшитые и циклический 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 соединение, и происходит образование углеродного полимера с заданной степенью упорядоченности. Варьируя упорядоченность структуры исходных волокон и условия высокотемпературной обработки, можно регулировать степень ориентации и кристалличность УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА, а также их физических-механические 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 соединение, соли переходных металлов, хлорсиланы и др.), и после сушки подвергают термодинамически обработке с медленным подъемом температуры до 400 0C. Полиакрилонитрильные волокна подвергают термо-окислит. дегидратации и предварит. 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 низкомолекулярный 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 механические свойства (прочность, модуль упругости) УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА. В некоторых случаях, напр, для получения волокон с заданными физических-химический свойствами, стадия графитизации исключается.

Вследствие высокой хрупкости готовые УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА 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.

Химическая состав УВ зависит от условий их получения. С повышением температуры термодинамически обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. Мол. структура УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА включает в основные ароматические конденсированные карбо- и гетерополицик-лич. фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями . В УВ содержатся гетероатомы N, О, Si, а на поверхности имеются различные функциональных группы -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

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

УВ характеризуются высокой пористостью; площадь внутр. поверхности 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 карбо-низованные, угольные (карбонизованные) и графитированные, макс, температура термообработки которых соответственно ниже 500, 500-1500 и выше 1500 0C, а содержание углерода соответственно меньше 90, 91-99 и выше 99% по массе. Иногда также выделяют несколько типов УВ в зависимости от их CB-B (см. табл.).

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ УВ


Показатель


Волокна

Угольные

низкомодульные

Графитированные

низкомодульные

среднемо-дульные

высокомодульные

высокопрочные

Плотность, г/см3

1,5-1,6

1,4-1,6

1,4-1,7

1,6-2,0

1,7-1,9

Модуль упругости, ГПа

30-40

40-60

70-180

300-500

200-300

Прочность на разрыв, ГПа

0,4-1,0

0,6-1,0

1,0-2,5

1,5-3,0

2,0-4,0

Относит. удлинение, %

2,0-2,5

1,5-2,0

1,2-1,5

0,5-0,6

1,0-1,3

Уд. объемное элекислотрич. сопротивление, 105 Ом•м

12-25

5-10

3-7

0,7 - 1,0

1-3

В лабораторная условиях получены УВ со значениями модуля упругости и прочности соответственно 600-700 и 6-8 ГПа.

УВ являются полупроводниками; их электрич. проводимость обусловлена подвижностью p-электронов в системе сопряжения. В зависимости от условий получения удельная электрич. 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 физических-механические свойств.

УВ обладают высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и проникающей радиации, химический стойкостью к MH. реагентам (конц. 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 физических и химический 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. электрофизических 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), конц. растворами кислот (HNO3, H2SO4, H3PO4) и др. реагентами получают катионообменники со статич. 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 статич. обменной емкостью 1,8-2,4 мг•экв/г. Ионообменники на основе УВ имеют высокую скорость ионного обмена и сохраняют обменные свойства в течение многие циклов сорбции и регенерации.

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

УВ и углеволокнистые материалы выпускают в виде волокон, нитей, жгутов, лент, шнуров, тканей, нетканых материалов, бумаги 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 различные видах углепластиков. Из углеволокнистых материалов изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагн. 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 технол. установок и трубопроводов. Благодаря химический инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивоколо

УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки атм. воздуха, а также технол. 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. биологическое жидкостей, в повязках при лечении ран и ожогов, как лек. средство (ваулен) при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать различные яды), как носители лек. и биологически активных B-B. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганическое и органическое 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 тысяч т.

Литература: Текстильные материалы на основе углеродных волокон и методы определения их свойств, M., 1985; Левит P.M., Электропроводящие химические волокна, M., 1986; Углеродные волокна, под ред. С. Симамуры, пер. с япон., M., 1987; Углеродные волокна и углекомпозиты, под ред. Э. Фитцера, пер. с англ., M., 1988; Будницкий Г. А., "Химические волокна", 1990, № 2, с. 5-13. К. E. Перепелкин.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
где купить резиновые накладки на корпус гироскутера
КНС цифровые решения рекомендует 3D принтеры цена - федеральный супермаркет офисной техники.
узи по беременности 3 триместр где сделать
gma121.1e привод воздушной заслонки siemens

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(24.07.2017)