Конструкционные функциональные волокнистые композиты. Углеродные волокна

Сентябрь 5, 2022

Главная
Химия
Конструкционные функциональные волокнистые композиты. Углеродные волокна

Содержание

2. УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА Понятие УВ Технология получения волокон Основные свойства Применение
3. Особенности УВ высокие прочность и модуль упругости низкая плотность (высокие удельные показатели) высокая теплостойкость электрофизические свойства
4. Структура углеродного волокна А - поверхностный слой В - высокоориентированная зона С - низкоориентированная зона 1
5. Требования к органическим волокнам для производства УВ исходные волокна должны сохраняться как единое целое на всех
6. Основное сырье для УВ УВ из полиакрилонитрила (ПАН) Углеродные волокна из пеков УВ из ГТ –В
7. Кристаллографическая структура графита с турбостратной структурой идеального кристалла графита Процесс получения УВ - высокотемпературная обработка (карбонизация
8. Технологические операции получения УВ Карбонизация Графитация строго регулируемых температурно-временных режимах в вакууме и различных средах одновременное
9. Процесс переработки ПАН в УВ Формование исходного ПАН-волокна; Предварительная вытяжка; Стабилизация при 220 °С на воздухе
10. Процесс переработки ПАН в УВ Формование исходного ПАН-волокна в основном по мокрому способу: (полимер растворяется, и
11. Ориентационная вытяжка Ориентация фибрилл при образовании трехмерной сетки может быть повышена вытяжкой волокна в осадительной ванне
12. Стабилизация полимера Цель - уменьшение гибкости макромолекул ПАН или по пути «связывания» молекул вместе для практически
13. Схема совмещенного окисления и карбонизации ПАН-волокна 1 - шпулярник; 2 - система питающих роликов; 3 -
14. Процесс получения волокна из жидкокристаллических пеков а – изотропный расплав, б – жидкокристаллическая (мезоморфная) фаза, в
15. Структура УВ при вытяжке Скорость формования УВ 127 м/мин, степень фильерной вытяжки выбирается ~1000:1. Конечный диаметр
16. Окончательная обработка УВ Термообработка при температуре ~300 °С в кислородсодержащей атмосфере с целью сшивки пеков (для
17. УВ из ГЦ Волокна на основе ГЦ получаются методом мокрого формования из древесной целлюлозы. Промышленность выпускает
18. Стадии получения УВ из ГЦВ формование; стабилизация; на воздухе нагрев со скоростью 10 °С/ч до температуры
19. Обработка УВ Нанесение замасливателей (0,5-7%): Применяются поливиниловый спирт, эпоксидные смолы, полиимиды и воду. Покрытие наносят как
20. Обработка УВ
21. Механические свойства УВ
22. Механические свойства УВ
23. Физические свойства УВ Примечание. Тсубл - температура сублимации; Sуд - удельная поверхность; Г — гигроскопичность.
24. Химические свойства УВ Примечание. Продолжительность воздействия реагента 257 суток.
26. Скачать презентацию

Слайд 2

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА
Понятие УВ
Технология получения волокон
Основные свойства
Применение

Слайд 3

Особенности УВ
высокие прочность и модуль упругости
низкая плотность (высокие удельные показатели)
высокая теплостойкость
электрофизические

свойства - от полупроводников до проводников с проводимостью, характерной для металлов)
могут иметь сильно развитую поверхность (1000 - 2000 м2/г).

Слайд 4

Структура углеродного волокна
А - поверхностный слой
В - высокоориентированная зона
С -

низкоориентированная зона
1 - микрофибриллы
2 - аморфный углерод

УВ относятся к гомогенно-неграфитирующимся формам углерода
Структура УВ наследуется от исходного сырья
УВ анизотропны
Характерный элемент структуры - закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении
УВ на основе пеков и фенольных смол изотропны и представляют собой типичный стеклоуглерод.

Слайд 5

Требования к органическим волокнам для производства УВ
исходные волокна должны сохраняться

как единое целое на всех стадиях производства;
не должны образовывать «расплава» ни на одной из стадий производства.
в процессе пиролиза не должно происходить слишком большого испарения летучих, чтобы выход волокна после обработки был бы экономически оправдан;
атомы углерода в процессе пиролиза должны иметь тенденцию к образованию графитовых плоскостей, определяющих оптимальные свойства;
максимально низкая цена;

Слайд 6

Основное сырье для УВ
УВ из полиакрилонитрила (ПАН)
Углеродные волокна из пеков
УВ из

ГТ –В
Фенольные смолы
Фураны

Слайд 7

Кристаллографическая структура
графита с турбостратной структурой
идеального кристалла графита
Процесс получения УВ -

высокотемпературная обработка (карбонизация и графитизация) органического волокна, при которой в результате термической деструкции осуществляется переход от органического к УВ.
Карбонизация заканчивается в интервале температур 1173÷2273 К, содержание углерода в волокне - 80÷99 %. (карбонизованное волокно).
Графитизация проводится при температурах до 3273 К (графитированное УВ), содержание углерода в волокне – 99 %

Слайд 8

Технологические операции получения УВ
Карбонизация
Графитация
строго регулируемых температурно-временных режимах в вакууме

и различных средах
одновременное вытягиванием волокна
на стадии карбонизации часто применяются катализаторы и вещества, модифицирующие УВ
Другие операции
предварительное окисление
обработка для удаления примесей
из пеков и фенольных смол волокна предварительно формуют
могут быть включены текстильная подготовка исходного волокна, текстильные операции на отдельных технологических переходах
для модификации теплофизических, электрофизических и других свойств УВ в прядильный раствор вводят тугоплавкие и термостойкие соединения
модификация свойств УВ методом газофазового нанесения на поверхность карбонизованных волокон пироуглерода, карбида кремния, нитрида бора

Слайд 9

Процесс переработки ПАН в УВ
Формование исходного ПАН-волокна;
Предварительная вытяжка;
Стабилизация при 220 °С

на воздухе под натяжением;
Карбонизация при 1500 °С в атмосфере инертного газа;
Графитизация при 3000 °С в атмосфере инертного газа.

Слайд 10

Процесс переработки ПАН в УВ
Формование исходного ПАН-волокна в основном по мокрому

способу: (полимер растворяется, и прядильный раствор, пройдя через фильеру в осадительную ванну, образует волокно. Затем волокно проходит стадию промывки, вытяжки и сушки. Изменяя скорость формования, параметры осадительной ванны и скорость приема волокна, можно влиять на образование надмолекулярной структуры ПАН-В)
Молекулярная структура и свойства волокна зависят от технологии его получения
Результатом процесса мокрого формования является образование ориентированных структур в волокнах ПАН

Структура идеальной ПАН-молекулы

Слайд 11

Ориентационная вытяжка
Ориентация фибрилл при образовании трехмерной сетки может быть повышена вытяжкой

волокна в осадительной ванне (при формовании) и из сополимера в горячей воде.

1- исходная фибриллярная сетка; 2 - вытянутое волокно

Вытяжка повышает механические свойства волокна

Слайд 12

Стабилизация полимера
Цель - уменьшение гибкости макромолекул ПАН или по пути «связывания»

молекул вместе для практически полного исключения релаксационных процессов и возможности дезориентации цепей Образование лестничных структур в полимерах значительно повышает термическую стабильность материалов за счет образования более жестких «перемычек» из сильных углеродоуглеродних двойных связей

Идеальная структура ПАН, подвергнутого циклизации в атмосфере инертного газа (в изотермических условиях при температуре ниже 270 °С цианистого водорода образуется значительно меньше (потеря нитрильных групп приведет к низким механическим свойствам УВ)

Образование лестничной структуры полимера в процессе циклизации ПАН

Процесс структурообразования при окислении ПАН (при стабилизации ПАН-В на воздухе проходит не только реакция циклизации, но и взаимодействие между полимеров и кислородом среды)

Молекулярно-структурная модель окисленного ПАН

Слайд 13

Схема совмещенного окисления и карбонизации ПАН-волокна
1 - шпулярник; 2 - система

питающих роликов; 3 - впускное устройство;
4 - печь окисления; 5 - комплект роликов; 6 - вентилятор; 7 - выпускное устройство; 8 - система тянущих роликов; 9 - приемные вальцы;
10 - штуцер для подачи инертного газа; 11 - печь карбонизации;
12 - высокотемпературная зона печи карбонизации; 13 - вакуумная камера; 14 - штуцера для отвода отходящих газов

Слайд 14

Процесс получения волокна из жидкокристаллических пеков
а – изотропный расплав, б –

жидкокристаллическая (мезоморфная) фаза, в - ориентированное волокно

Слайд 15

Структура УВ при вытяжке
Скорость формования УВ 127 м/мин, степень фильерной вытяжки

выбирается ~1000:1. Конечный диаметр волокон - 10÷15 мкм

При высоких степенях вытяжки образуется структура оболочка - ядро. Молекулярная ориентация неоднородна и уменьшается к центру волокна. Волокна, подвергнутые сильной вытяжке и обладающие высокой степенью молекулярной ориентации, оказываются более однородными.

а - радиальная; б - луковичная; в - радиально-изотропная
Структуры УВ, полученных из пеков

Слайд 16

Окончательная обработка УВ
Термообработка при температуре ~300 °С в кислородсодержащей атмосфере

с целью сшивки пеков (для избежания протекания релаксационных процессов при высоких температурах)
В результате обработки большие блюдцеобразные молекулы, соединенные вместе в мезофазной структуре, сшиваются под влиянием окислительной полимеризации и образуют стабилизированное волокно.
Термоотверждение 950 °С (быстрое выделение летучих и продуктов, образовавшихся при сшивке волокна, возникают структурные дефекты в виде пузырей и трещин)
Печь предкарбонизации 1000 °С
Печь графитизации (термообработка при 1200÷3000 °С определяет свойства УВ)

Слайд 17

УВ из ГЦ
Волокна на основе ГЦ получаются методом мокрого формования из

древесной целлюлозы.

Промышленность выпускает несколько видов ГЦВ. Хорошим сырьем для получения УВ с очень высокими свойствами являются полиинозные и вискозные волокна с высокими степенями полимеризации.

Молекулярная структура гидрата целлюлозы

Основной факторов, ограничивающих применение ГЦВ - выход УВ 10÷30 %.

Слайд 18

Стадии получения УВ из ГЦВ
формование;
стабилизация;
на воздухе нагрев со скоростью 10

°С/ч до температуры 400 °С
протекает большое число реакций (физическая десорбция воды, образование воды в результате отщепления гидроксилов от основной цепи полимера, деполимеризация, с выделением Н2О, СО и СО2, циклизация и образование графитоподобных сложных структур)
Вытяжка неэффективна
Т.К.летучие вещества, содержащие углерод; испаряясь, уменьшают выход УВ, то необходимо ингибирование образования летучих смол газовой атмосферой, предварительная химическая обработка волокна и т.д).
Время стабилизации ГЦВ от 20 мин до 10 ч
карбонизация 1000÷1500 °С в атмосфере инертного газа под натяжением, при натяжении происходит перестройка графитовой структуры, что повышает физико-механические свойства графитизированных моноволокон.
графитизационное вытягивание при 2800 °С.
Волокна находятся при этой температуре очень короткое время, но могут быть дополнительно вытянуты на 100 %. Ввытяжка обеспечивает ориентацию, позволяющую достичь высоких физико-механических свойств УВ. (Е вытянутого УВ 700 ГПа, Е для невытянутого УВ ~70 ГПа

Слайд 19

Обработка УВ
Нанесение замасливателей (0,5-7%):
Применяются поливиниловый спирт, эпоксидные смолы, полиимиды и воду.

Покрытие наносят как на подвергшуюся обработке, так и на исходную поверхность волокна.
Замасливатели не только улучшают перерабатываемость и абразивную стойкость УВ, но и повышают его адгезию к полимерной матрице
Поверхностная обработка - окисление, нанесение органического или неорганического покрытия, вискоризация или облучение.
Идеальная поверхностная обработка волокон должна приводить к увеличению сдвиговых характеристик волокон при очень малом влиянии на продольные физико-механические свойства. Она должна быть кратковременной, хорошо контролируемой и недорогостоящей. Наиболее распространенной является жидкостная окислительная термообработка. Газовое («сухое») окисление связано с большими трудностями контроля

Слайд 20

Обработка УВ

Слайд 21

Механические свойства УВ

Слайд 22

Механические свойства УВ

Слайд 23

Физические свойства УВ
Примечание. Тсубл - температура сублимации; Sуд - удельная

поверхность;
Г — гигроскопичность.

Слайд 24

Конструкционные функциональные волокнистые композиты. Углеродные волокна

Содержание

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА Понятие УВТехнология получения волоконОсновные свойстваПрименение

Особенности УВвысокие прочность и модуль упругостинизкая плотность (высокие удельные показатели)высокая теплостойкостьэлектрофизические

Структура углеродного волокна А - поверхностный слойВ - высокоориентированная зонаС -

Требования к органическим волокнам для производства УВ исходные волокна должны сохраняться

Основное сырье для УВУВ из полиакрилонитрила (ПАН)Углеродные волокна из пековУВ из

Кристаллографическая структураграфита с турбостратной структурой идеального кристалла графитаПроцесс получения УВ -

Технологические операции получения УВКарбонизация Графитация строго регулируемых температурно-временных режимах в вакууме

Процесс переработки ПАН в УВФормование исходного ПАН-волокна;Предварительная вытяжка;Стабилизация при 220 °С

Процесс переработки ПАН в УВФормование исходного ПАН-волокна в основном по мокрому

Ориентационная вытяжкаОриентация фибрилл при образовании трехмерной сетки может быть повышена вытяжкой

Стабилизация полимераЦель - уменьшение гибкости макромолекул ПАН или по пути «связывания»

Схема совмещенного окисления и карбонизации ПАН-волокна1 - шпулярник; 2 - система

Процесс получения волокна из жидкокристаллических пекова – изотропный расплав, б –

Структура УВ при вытяжкеСкорость формования УВ 127 м/мин, степень фильерной вытяжки

Окончательная обработка УВ Термообработка при температуре ~300 °С в кислородсодержащей атмосфере

УВ из ГЦВолокна на основе ГЦ получаются методом мокрого формования из

Стадии получения УВ из ГЦВформование;стабилизация; на воздухе нагрев со скоростью 10

Обработка УВНанесение замасливателей (0,5-7%):Применяются поливиниловый спирт, эпоксидные смолы, полиимиды и воду.

Обработка УВ

Механические свойства УВ

Механические свойства УВ

Физические свойства УВ Примечание. Тсубл - температура сублимации; Sуд - удельная

Химические свойства УВ Примечание. Продолжительность воздействия реагента 257 суток.

Похожие презентации

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА
Понятие УВ
Технология получения волокон
Основные свойства
Применение

Особенности УВ
высокие прочность и модуль упругости
низкая плотность (высокие удельные показатели)
высокая теплостойкость
электрофизические

Структура углеродного волокна
А - поверхностный слой
В - высокоориентированная зона
С -

Требования к органическим волокнам для производства УВ
исходные волокна должны сохраняться

Основное сырье для УВ
УВ из полиакрилонитрила (ПАН)
Углеродные волокна из пеков
УВ из

Кристаллографическая структура
графита с турбостратной структурой
идеального кристалла графита
Процесс получения УВ -

Технологические операции получения УВ
Карбонизация
Графитация
строго регулируемых температурно-временных режимах в вакууме

Процесс переработки ПАН в УВ
Формование исходного ПАН-волокна;
Предварительная вытяжка;
Стабилизация при 220 °С

Процесс переработки ПАН в УВ
Формование исходного ПАН-волокна в основном по мокрому

Ориентационная вытяжка
Ориентация фибрилл при образовании трехмерной сетки может быть повышена вытяжкой

Стабилизация полимера
Цель - уменьшение гибкости макромолекул ПАН или по пути «связывания»

Схема совмещенного окисления и карбонизации ПАН-волокна
1 - шпулярник; 2 - система

Процесс получения волокна из жидкокристаллических пеков
а – изотропный расплав, б –

Структура УВ при вытяжке
Скорость формования УВ 127 м/мин, степень фильерной вытяжки

Окончательная обработка УВ
Термообработка при температуре ~300 °С в кислородсодержащей атмосфере

УВ из ГЦ
Волокна на основе ГЦ получаются методом мокрого формования из

Стадии получения УВ из ГЦВ
формование;
стабилизация;
на воздухе нагрев со скоростью 10

Обработка УВ
Нанесение замасливателей (0,5-7%):
Применяются поливиниловый спирт, эпоксидные смолы, полиимиды и воду.

Физические свойства УВ
Примечание. Тсубл - температура сублимации; Sуд - удельная

Химические свойства УВ
Примечание. Продолжительность воздействия реагента 257 суток.