Способ получения углеродного волокна

(51 0 01 Г 9/22 Е ИЗОБ ЕНИ ЕТЕЛЪСТВУ К АВТОРСКОМ якпр одуль ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНО ВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГОВОЛОКНА(57) Способ получения углеродного волокна.Сущность изобретения; окисленное волокно на основе гомо- и сополимеров акрилонитрилатермообрабатывают втри стадии винертной среде с удалением летучих проИзобретение относитс оизводству высокопрочного высоком ного углеродного волокна.Цель изобретения - получение высоко- прочного высокрмодульного углеродного волокна.Таким образом, процесс карбонизации разделяется на несколько температурных областей, в каждой из которых создается различное воздействие внешнего силового поля и, следовательно, определенные условия деформации волокна,В результате на каждой стадии формируется структура полупродуктов с различн ь) ми свойствами, Так, при температурах обработки 400 - 450 и потере массы 13 - 16% от массы окисленного волокна высокоэластическая деформация волокна, составляюЖ 1816822 А 1 дуктов пиролиза. На первой стадии при 400-450 С под натяжением, обеспечивающим вытяжку волокна на 1 - 10%, до уменьшения массы окисленного волокна на 13-16%, На второй стадии при 600 - 630 С под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1,0 - 3,5% от длины волокна после первой стадии термообработки, до уменьшения массы волокна после первой стадии на 14,0 - 15,5%, На третьей стадии - 0,25-2,50 мин при 1100 - 2500" С под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1 - 5% от длины волокна после второй стадии, Характеристики полученного углерод 2- ного волокна: прочность 390 - 480 кгс/мм, модуль упругости 22000 - 50000 кгс/мм, Прочность на изгиб зпоксиуглепластика 160 - 220 кгс/мм, прочность на сдвиг 4,5.кгс/мм,2 модуль упругости 13000 - 27000 кгс/мм .1 табл,щая 3,5-4,0%, и реобладает над уп ругой составляющей, равной 1,48 - 1,55%, При температурах 600-630 и потере массы 27 - 30% от массы окисленного волокна высокозластическая деформация составляет 0-0,4%, а упругая деформация - 2,3 - 2,9%, Отсутствие высокпзластической деформации в последнем случае свидетельствует о том, что вытягивание волокна возможно только при обработке ниже 6000, Попытка вытянуть обрабатываемое при 600 волокно приводит к резкому снижению прочности углеродного волокна,Кроме того, разделение карбонизации на ряд температурных стадий дает возможность удалить на стадиях, предшествующих конечной термообработке, основную массу реакционноспособнь 1 х летучих продуктов, восновном, углекислого газа и водяных паров, ухудшающих качество волокна при обработках выше 1000 О, Благодаря этомувозникает возможность сокращения продолжительности стадии конечной термообработки и увеличения производительностипроцесса карбонизации, В способе по изобретению получают углеродное волокно свысокими физико-механическими свойствами. Минимальная прочность углеродноговолокна, полученного при 1,100 С, составляет 390 кгс/мм, а микропластика, полученного на основе эпоксидной смолы и этоговолокна - 550 кгс/мм .зИзобретение иллюстрируется нижеследующими примерами и таблицей.П р и м е р 1, Окисленную нить, полученную из комплексной полиакрилонитрильной нити "цитрон" линейной плотности 850текс, с числом филаментов 5000, обрабатывают в три стадии; сначала при температуре400 С под натяжением, обеспечивающимвытяжку на 10%, до потери массы 16 о , затем при температуре 600 С под натякением, обеспечивающим усадку на 3;5%, допотери массы 15,5 оот массы обработанного при 400 С материала и наконец, при температуре 1",00 С сусадкой на 5% припродолжительности обработки 2,5 мин, Навсех стадиях обработку осуществляют винертной среде с удалением летучих продуктов пиролиза.Прочность полученного углеродного волокна составляет 390 кгс/мм, модуль упру 2гости 22000.кгс/мм, При изготовлении на2его основе эпоксиуглепластика прочностьпри изгибе составляет 160 кгс/мм, проч 2ность при сдвиге - 4,5 кгс/мм, модуль уп 2ругости 13000 кгс/мм .гП р и м е р 2, Ту же окисленную нить, чтои в примере 1, подвергают трехстадийнойобработке, сначала при температуре 450 Спри вытяжке на 1/, до потери массы 13%,затем при температуре 630 С с усадкой на1 одо поври массы 14/ от массы материала, обработанного на первой стадии, и, наконец, при температуре 1350 С с усадкой на3 в течение 0,5 мин, Термообработку навсех стадиях проводят в инертной среде.Каждая стадия отделена от соседних,имеет индивидуальный отсос летучих продуктов и снабжена устройством, задающимстрого определенное натяжение в зоне термообработки,Полученное углеродное волокно имеетпрочность 480 кгс/мм при модуле упруго 2сти 26000 кгс/мм, Углепластик на основе такого волокна имеет прочность 220 кгс/ммпри модуле упругости 15000 кгс/мм,2П р и м е р 3, То же волокно, что и впримере 1, обрабатывают в инертной среде5 с удалением летучих продуктов пиролиза втри стадии: сначала при температуре 400 Сс вытяжкой на 8% при потере массы 14,5 ,далее при температуре 600 С с усадкой на2,5% и потерей массы 15% от массы материала, обработанного при 400 С, и затемпри температуре 2500 Г в течение 0,25 минс усадкой на 1%, Прочность полученногоуглеродного волокна составляет 471 кгс/мм,змодуль упругости - 50000 кгс/мм, Углепла 215 стик на основе такого волокна имеет прочность при изгибе 210 кгм/мм, модуль2упругости 27000 кгс/мм .2Ниже в таблице показано влияние изменения величины деформации волокна по20 стадиям карбонизации на прочностныесвойства полученного углеродного волокна.При этом температура карбонизации напервой стадии равна 400 С, на второй стадии - 620" С и на третьей стадии 1350 С.25 Таким образом, как показывают данныеиспытаний, способ по изобретению позволяет значительно повысить прочностныесвойства углеродного волокна и получитьвьсокопрочное высокомодульное углерод 30 ное волокно, Это в свою очередь позволяетповысить прочность углепластиков на основе такого волокна,Формула изобретенияСпособ получения углеродного волокна35 окислением волокна на основе гомо- и сополимеров акрилонитрила с последующейтрехстадийной термообработкой под натяжением в инертной среде с удалением летучих и родуктов пиролиза из зоны40 термообработки, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью получения высокопрочного высокомодульногоо волокна, термообработкуосуществляют сначала при постоянной температуре 400 - 450 С под натяжением, обес 45 печивающим вытяжку волокна на 1 - 10% отдлины окисленного волокна, до уменьшениямассы окисленного волокна на 13-16%, азатем при постоянной температуре 600 -630 С под натяжением, обеспечивающим50 усадку волокна на 1,0-3,5% от длины волокна после первой стадии термообработки, доуменьшения массы волокна после первойстадии на 14 - 15,5%, а третью стадию термообработки осуществляют 0,25-2,5 мин при55 1100-2500 С под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1 - 5 оот длиныволокна после второй стадии,1816822 Составитель Т, СмирноваТехред М.Моргентал Корректор С,щекм дактор 1710 Тираж ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 За оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10