Словарь научных терминов
Углеродные волокна

УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА (УВ), волокна, получаемые тер-мич. обработкой исходных хим. и прир. волокон (т. наз. пре-курсов) 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, поливинилспирто-вых, полиоксазольных, феноло-формальд., но они не имеют пром. значения из-за сложной технологии получения, низкого качества и высокой стоимости УВ из них.

Получение УВ включает процессы формования исходных волокон (см. Формование химических волокон), их подготовит, обработку и три стадии термич. обработки. В ходе подготовит, обработки меняют хим. структуру волокон или вводят в них в-ва, регулирующие процесс пиролиза и обеспечивающие макс, выход кокса. Первая стадия термич. обработки - низкотемпературный пиролиз при т-ре до 400 С, когда удаляются низкомол. продукты деструкции, образуются сшитые и циклич. структуры. При этом создают такие условия, чтобы возрастающая т-ра размягчения (плавления) волокна оставалась выше т-ры 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 соед., и происходит образование углеродного полимера с заданной степенью упорядоченности. Варьируя упорядоченность структуры исходных волокон и условия высокотемпературной обработки, можно регулировать степень ориентации и кристалличность УВ, а также их физ.-мех. св-ва.

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 к-рых являются антипиренами (фосфор- и азотсодержащие соед., соли переходных металлов, хлорсиланы и др.), и после сушки подвергают термич. обработке с медленным подъемом т-ры до 400 0C. Полиакрилонитрильные волокна подвергают термо-окислит. дегидратации и предварит. циклизации. Во избежание усадки их термообработку проводят на воздухе при т-ре 250-350 0C под натяжением.

Пеки подвергают термообработке в жидком состоянии при 350-400 0C с целью удаления низкомол. фракций и повышения их мол. 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 мех. св-ва (прочность, модуль упругости) УВ. В нек-рых случаях, напр, для получения волокон с заданными физ.-хим. св-вами, стадия графитизации исключается.

Вследствие высокой хрупкости готовые УВ 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.

Хим. состав УВ зависит от условий их получения. С повышением т-ры термич. обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. Мол. структура УВ включает в осн. ароматич. конденсированные карбо- и гетерополицик-лич. фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/8/8/0/14880.jpeg . В УВ содержатся гетероатомы N, О, Si, а на пов-сти имеются разл. функц. группы -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

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

УВ характеризуются высокой пористостью; площадь внутр. пов-сти 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 ок. 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, т-ра термообработки к-рых соотв. ниже 500, 500-1500 и выше 1500 0C, а содержание углерода соотв. меньше 90, 91-99 и выше 99% по массе. Иногда также выделяют неск. 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 элек-трич. сопротивление, 105 Ом·м

12-25

5-10

3-7

0,7 - 1,0

1-3

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

УВ являются полупроводниками; их электрич. проводимость обусловлена подвижностью p-электронов в системе сопряжения. В зависимости от условий получения уд. 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 пов-сти они сорбируют водяные пары (до влажности порядка 0,2-2%), не меняя при этом своих физ.-мех. св-в.

УВ обладают высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и проникающей радиации, хим. стойкостью к MH. реагентам (конц. к-ты и щелочи, практически все р-рители). 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 т-р от 800 до 2500 0C. На воздухе т-ра эксплуатации не превышает 300-400 0C. Кислородный индекс УВ в зависимости от условий получения составляет 35-60%.

Часто проводят физ. и хим. модификацию исходных волокон или УВ и углеволокнистых материалов. Для повышения термоокислит. устойчивости УВ и углеволокнистых материалов на их пов-сти 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. электрофиз. св-ва 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 пов-стью 500-2000 м2/г. Обработкой УВА окислителями (нитраты), конц. р-рами к-т (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 нагр. 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 св-ва в течение мн. циклов сорбции и регенерации.

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

УВ и углеволокнистые материалы выпускают в виде волокон, нитей, жгутов, лент, шнуров, тканей, нетканых материалов, бумаги и др. Они имеют разл. 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 разл. 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 хим. инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок.

УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки атм. воздуха, а также технол. газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления ср-в индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и др. биол. жидкостей, в повязках при лечении ран и ожогов, как лек. ср-во (ваулен) при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать разл. яды), как носители лек. и биологически активных B-B. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорг. и орг. синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 до SO3 и др.).

Пром. произ-во 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 произ-во УВ на основе нефтяных пеков. Мировое произ-во УВ и углеволокнистых материалов в 1990 превышало 10 тыс. т.

Лит.: 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.


Уайт-спирит Убихиноны Угарный газ Уги реакция Углеводороды Углеводы Углеграфитовые материалы Углекислый газ Углемасляные смеси Углепластики Углерод Углерод технический Углерод-углеродные материалы Углерода оксид Углерода сульфоксид Углеродные волокна Углеродопласты Углехимия Угольная кислота Ударная волна, Ударных труб метод Удобрения Уксусная кислота Уксусный альдегид Ульмана реакции Ультразвук Ультразвуковые аппараты Ультрамарин Ультрамикроскопия Ультрамикрохимический анализ Ультрафильтрация Ультрафиолетовая спектроскопия Ультрафосфаты Ультрацентрифугирование Умбеллиферон Умбра Ундекалактон Ундеканаль Ундеканол Уплотнительные смазки Уравнения состояния Уралкидные смолы Уран Урана сплавы Уранаты Уранорганические соединения Урацил Уреаза Уреиды Уретановые эластомеры Уретаны Уридин Уровнемеры Уроновые кислоты Урри-караша реакция Ускорители вулканизации