СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ГИДРАТЦЕЛЛЮЛОЗЫ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В ВИДЕ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ЖГУТА
PROCEDURE FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF HYDRATED CELLULOSE OF CARBON FIBRE IN FORM OF UNIDIRECTIONAL BRAID

Изобретение относится к технологии непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута и может быть использовано при изготовлении углеродного волокна с заранее заданными свойствами, применяемого в качестве наполнителей композиционных материалов конструкционного, теплозащитного, антиэлектростатического назначения, а также при производстве углеродных волокнистых адсорбентов с регулируемой пористой структурой, в том числе сорбентов нового поколения для медицины, носителя катализаторов, материалов и изделий для защиты от электромагнитного излучения, наноструктурированных композитов, фуллеренов, нанотрубок и т.д.
Известен способ получения ткани из углеродных волокон путем непрерывной карбонизации ткани из целлюлозного волокна, включающий пропитку гидратцеллюлозного волокна антипиренами, сушку пропитанного волокна, безокислительную стабилизационную карбонизацию и графитизацию волокна (см. патент РФ №2257429, МПК D01F 9/16, 2003 г.).
Однако известный способ при своем использовании имеет следующие недостатки:
- не обеспечивает возможность использования для процессов получения углеродного волокна в качестве исходного материала любого вида гидратцеллюлозного волокна,
- обладает высокой длительностью процесса,
- не всегда обеспечивает возможность получения углеродного волокна с заданными свойствами при максимальном содержании углерода,
- не всегда обеспечивает возможность получения углеродного волокна с заданным удельным электрическим сопротивлением,
- не всегда обеспечивает возможность получения углеродного волокна с высокими прочностными характеристиками при разрыве как элементарного углеродного волокна, так и его жгута в целом,
- не обеспечивает значительное снижение влажности полученного углеродного волокна,
- не обеспечивает возможность проведения многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации с гарантированным поддержанием равномерной температуры каждой зоны,
- не обеспечивает снижение выделения аморфного углерода как продукта распада смол и предотвращение его осаждения на поверхность изготавливаемого углеродного волокна.
Задачей изобретения является разработка способа непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута.
Техническим результатом является возможность использования для процессов получения углеродного волокна в качестве исходного материала любого вида гидратцеллюлозного волокна, значительное сокращение длительности процесса, обеспечение возможности получения углеродного волокна с заданными свойствами при максимальном содержании углерода, с заданным удельным электрическим сопротивлением, с высокими прочностными характеристиками при разрыве как элементарного углеродного волокна, так и его жгута в целом, обеспечение значительного снижения влажности полученного углеродного волокна, обеспечение возможности проведения многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации с гарантированным поддержанием равномерной температуры каждой зоны, снижение выделения аморфного углерода как продукта распада смол и предотвращение его осаждения на поверхность изготавливаемого углеродного волокна,
4
2
2
4
2
4
2
2
3
3
2
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен способ непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута, включающий пропитку гидратцеллюлозного волокна антипиренами, сушку пропитанного волокна, безокислительную стабилизационную карбонизацию и графитизацию волокна, при этом в качестве исходного гидратцеллюлозного волокна используют однонаправленный жгут высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой, при этом диаметр филамента исходного гидратцеллюлозного волокна жгута выбран от 8,5 до 15 мкм при его линейной плотности 0,07÷0,17 текс, однонаправленный жгут исходного гидратцеллюлозного волокна пропитывают в качестве антипирена водным раствором хлорида аммония с концентрацией NHCl в количестве 150-200 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 10-30 г/л, или водным раствором сульфата аммония с концентрацией (NH)SO в количестве 250-300 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 20-40 г/л, сушку пропитанного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна проводят с использованием электрического обогрева, т.е. без использования паровых обогревательных сушилок, в интервале температур 120-140°C в течение 30-60 минут, затем перед безокислительной стабилизационной карбонизацией осуществляют предварительную обработку высушенного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в кислородсодержащей атмосфере при температуре 140-180°C в течение 30-90 минут, затем выполняют в токе инертной среды со скоростью 2,5-4,5 м/час в течение 40-80 минут многозонную безокислительную стабилизационную карбонизацию в проходной печи с усадкой исходного гидратцеллюлозного волокна на 10-30%, при этом в первой зоне гидратцеллюлозное волокно термически обрабатывают при температуре 170-230°C в течение 5-10 минут, во второй зоне - при температуре 230-260°C в течение 5-10 минут, в третьей зоне - при температуре 260-290°C в течение 5-10 минут, в четвертой зоне - при температуре 275-320°C в течение 5-10 минут, в пятой зоне - при температуре 330-360°C в течение 5-10 минут, в шестой зоне - при температуре 410-440°C в течение 5-10 минут, в седьмой зоне - при температуре 580-600°C в течение 5-10 минут и в восьмой зоне - при температуре 690-710°C в течение 5-10 минут, при этом в качестве инертной среды проходной печи при проведении многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации используют азот, аргон или природный газ, в процессе многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации жгута пропитанного гидратцеллюлозного волокна осуществляют отбор продуктов пиролиза в зоне наибольшего их выделения за счет небольшого избыточного давления нейтрального газа 120-150 мм вод. ст. и осуществляют их непрерывное доокисление в узлах сжигания, затем выполняют графитизацию карбонизованного волокна при тем-ре 1000-2400°C в среде азота или аргона с содержанием кислорода не более 0,001%, при этом скорость протяжки жгута карбонизованного волокна при графитизации выбрана от 15 до 50 м/час. При этом в качестве исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой однонаправленного жгута используют волокно, например, марки «Лиоцелл» или «Тенцель». При этом однонаправленный жгут исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна перед пропиткой раствором хлорида аммония дополнительно пропитывают 4-5% кремнийорганическим раствором или суспензией, например раствором или суспензией полиметилсилоксана в ацетоне. При этом непрерывное доокисление продуктов пиролиза осуществляют в узлах сжигания при температуре 650-790°C при использовании дополнительной подачи сжатого воздуха со скоростью 0,05-0,6 м/час. При этом жгут полученного углеродного волокна дополнительно подвергают анодной электрохимической обработке с плотностью тока 0,5-1,0 А/дм. При этом жгут полученного углеродного волокна дополнительно активируют на воздухе, в среде водяного пара или в среде двуоксида углерода. При этом жгут полученного углеродного волокна дополнительно режут на куски заданной длины.
4
2
2
4
2
4
2
2
3
3
2
Способ осуществляется следующим образом. В качестве исходного гидратцеллюлозного волокна используют однонаправленный жгут высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой, например, марки «Лиоцелл» или «Тенцель», с диаметром филамента исходного гидратцеллюлозного волокна жгута от 8,5 до 15 мкм при его линейной плотности 0,07-0,17 текс. Однонаправленный жгут исходного гидратцеллюлозного волокна пропитывают в качестве антипирена водным раствором хлорида аммония с концентрацией NHCl в количестве 150-200 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 10-30 г/л, или водным раствором сульфата аммония с концентрацией (NH)SO в количестве 250-300 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 20-40 г/л. При этом однонаправленный жгут исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна перед пропиткой раствором хлорида аммония дополнительно пропитывают 4-5% кремнийорганическим раствором или суспензией, например раствором или суспензией полиметилсилоксана в ацетоне. Сушку пропитанного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна проводят с использованием электрического обогрева, т.е. без использования паровых обогревательных сушилок, в интервале температур 120-140°C в течение 30-60 минут. Затем перед безокислительной стабилизационной карбонизацией осуществляют предварительную обработку высушенного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в кислородсодержащей атмосфере при температуре 140-180°C в течение 30-90 минут. Выполняют в токе инертной среды со скоростью 2,5-4,5 м/час в течение 40-80 минут многозонную безокислительную стабилизационную карбонизацию в проходной печи с усадкой исходного гидратцеллюлозного волокна на 10-30% с использованием в качестве инертной среды проходной печи при проведении многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации азота, аргона или природного газа. В первой зоне гидратцеллюлозное волокно термически обрабатывают при температуре 170-230°C в течение 5-10 минут, во второй зоне - при температуре 230-260°C в течение 5-10 минут, в третьей зоне - при температуре 260-290°C в течение 5-10 минут, в четвертой зоне - при температуре 275-320°C в течение 5-10 минут, в пятой зоне - при температуре 330-360°C в течение 5-10 минут, в шестой зоне - при температуре 410-440°C в течение 5-10 минут, в седьмой зоне - при температуре 580-600°C в течение 5-10 минут и в восьмой зоне - при температуре 690-710°C в течение 5-10 минут. В процессе многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации жгута пропитанного гидратцеллюлозного волокна осуществляют отбор продуктов пиролиза в зоне наибольшего их выделения за счет небольшого избыточного давления нейтрального газа 120-150 мм вод.ст. и осуществляют их непрерывное доокисление в узлах сжигания при температуре 650-790°C при использовании дополнительной подачи сжатого воздуха со скоростью 0,05-0,6 м/час. Графитизацию карбонизованного волокна проводят при температуре 1000-2400°C в среде азота или аргона с содержанием кислорода не более 0,001%, при этом скорость протяжки жгута карбонизованного волокна при графитизации выбрана от 15 до 50 м/час. Жгут полученного углеродного волокна дополнительно подвергают анодной электрохимической обработке с плотностью тока 0,5-1,0 А/дм. Жгут полученного углеродного волокна дополнительно активируют на воздухе, в среде водяного пара или в среде двуоксида углерода. Жгут полученного углеродного волокна дополнительно режут на куски заданной длины.
Среди существенных признаков, характеризующих предложенный способ непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута, отличительными являются:
- использование в качестве исходного гидратцеллюлозного волокна однонаправленного жгута высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой,
- выбор диаметра филамента исходного гидратцеллюлозного волокна жгута от 8,5 до 15 мкм при его линейной плотности 0,07-0,17 текс,
4
2
2
4
2
4
2
2
- пропитка однонаправленного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в качестве антипирена водным раствором хлорида аммония с концентрацией NHCl в количестве 150-200 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 10-30 г/л, или водным раствором сульфата аммония с концентрацией (NH)SO в количестве 250-300 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 20-40 г/л,
- проведение сушки пропитанного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна с использованием электрического обогрева, т.е. без использования паровых обогревательных сушилок, в интервале температур 120-140°C в течение 30-60 минут,
- осуществление перед безокислительной стабилизационной карбонизацией предварительной обработки высушенного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в кислородсодержащей атмосфере при температуре 140-180°C в течение 30-90 минут,
3
- выполнение в токе инертной среды со скоростью 2,5-4,5 м/час в течение 40-80 минут многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации в проходной печи с усадкой исходного гидратцеллюлозного волокна на 10-30%, при этом в первой зоне гидратцеллюлозное волокно термически обрабатывают при температуре 170-230°C в течение 5-10 минут, во второй зоне - при температуре 230-260°C в течение 5-10 минут, в третьей зоне - при температуре 260-290°C в течение 5-10 минут, в четвертой зоне - при температуре 275-320°C в течение 5-10 минут, в пятой зоне - при температуре 330-360°C в течение 5-10 минут, в шестой зоне - при температуре 410-440°C в течение 5-10 минут, в седьмой зоне - при температуре 580-600°C в течение 5-10 минут и в восьмой зоне - при температуре 690-710°C в течение 5-10 минут,
- использование в качестве инертной среды проходной печи при проведении многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации азота, аргона или природного газа,
- осуществление в процессе многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации жгута пропитанного гидратцеллюлозного волокна отбора продуктов пиролиза в зоне наибольшего их выделения за счет небольшого избыточного давления нейтрального газа 120-150 мм вод.ст. и осуществление непрерывного доокисления продуктов пиролиза в узлах сжигания,
- выполнение графитизации карбонизованного волокна при температуре 1000-2400°C в среде азота или аргона с содержанием кислорода не более 0,001%,
- при этом скорость протяжки жгута карбонизованного волокна при графитизации выбрана от 15 до 50 м/час,
- использование в качестве исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой однонаправленного жгута волокна, например, марки «Лиоцелл» или «Тенцель»,
- выполнение перед основной пропиткой однонаправленного жгута исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна раствором хлорида аммония дополнительной пропитки однонаправленного жгута исходного высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна 4-5% кремнийорганическим раствором или суспензией, например раствором или суспензией полиметилсилоксана в ацетоне,
3
- осуществление непрерывного доокисления продуктов пиролиза в узлах сжигания при температуре 650-790°C при использовании дополнительной подачи сжатого воздуха со скоростью 0,05-0,6 м/час,
2
- выполнение дополнительной анодной электрохимической обработки с плотностью тока 0,5-1,0 А/дм жгута полученного углеродного волокна,
- дополнительное активирование на воздухе, в среде водяного пара или в среде двуоксида углерода жгута полученного углеродного волокна,
- выполнение резки жгута полученного углеродного волокна на куски заданной длины.
Экспериментальные, а затем и производственные исследования предложенного способа непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута показали его высокую эффективность. С использованием всех существенных признаков предложенного технического решения достигнута возможность использования для процессов получения углеродного волокна в качестве исходного материала любого вида гидратцеллюлозного волокна, достигнуто значительное сокращение длительности процесса, обеспечена возможность получения углеродного волокна с заданными свойствами при максимальном содержании углерода, а также с заданным удельным электрическим сопротивлением, с высокими прочностными характеристиками при разрыве как элементарного углеродного волокна, так и его жгута в целом. При этом было одновременно установлено, что с использованием предложенного способа обеспечено значительное снижение влажности полученного углеродного волокна, обеспечена возможность проведения многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации с гарантированным поддержанием равномерной температуры каждой зоны, снижено выделение аморфного углерода как продукта распада смол и предотвращение его осаждения на поверхность изготавливаемого углеродного волокна,
Реализация предложенного способа непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута иллюстрируется следующими примерами.
4
2
2
3
3
2
Пример 1. В качестве исходного гидратцеллюлозного волокна использовали однонаправленный жгут высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой марки «Лиоцелл» с диаметром филамента исходного гидратцеллюлозного волокна жгута 12 мкм при его линейной плотности 0,12 текс. Однонаправленный жгут исходного гидратцеллюлозного волокна пропитали 5% кремнийорганическим раствором полиметилсилоксана в ацетоне. Затем жгут пропитали в качестве антипирена водным раствором хлорида аммония с концентрацией NHCl в количестве 200 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 20 г/л. Сушку пропитанного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна провели с использованием электрического обогрева, т.е. без использования паровых обогревательных сушилок, при температуре 130°C в течение 45 минут. Затем перед безокислительной стабилизационной карбонизацией осуществили предварительную обработку высушенного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в кислородсодержащей атмосфере при температуре 180°C в течение 30 минут. Выполнили в токе инертной среды со скоростью 2,5 м/час в течение 80 минут многозонную безокислительную стабилизационную карбонизацию в проходной печи с усадкой исходного гидратцеллюлозного волокна на 30% с использованием в качестве инертной среды проходной печи азота при проведении многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации. В первой зоне гидратцеллюлозное волокно термически обработали при температуре 170°C в течение 10 минут, во второй зоне - при температуре 230°C в течение 10 минут, в третьей зоне - при температуре 260°C в течение 10 минут, в четвертой зоне - при температуре 275°C в течение 10 минут, в пятой зоне - при температуре 330°C в течение 10 минут, в шестой зоне - при температуре 410°C в течение 10 минут, в седьмой зоне - при температуре 580°C в течение 10 минут и в восьмой зоне - при температуре 690°C в течение 10 минут. В процессе многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации жгута пропитанного гидратцеллюлозного волокна осуществили отбор продуктов пиролиза в зоне наибольшего их выделения за счет небольшого избыточного давления нейтрального газа 150 мм вод. ст. и непрерывное доокисление в узлах сжигания при температуре 790°C при использовании дополнительной подачи сжатого воздуха со скоростью 0,6 м/час. Графитизацию карбонизованного волокна проводили при температуре 2400°C в среде азота с содержанием кислорода не более 0,001%, при скорости протяжки жгута карбонизованного волокна при графитизации 50 м/час. Жгут полученного углеродного волокна дополнительно подвергли анодной электрохимической обработке с плотностью тока 0,5 А/дм, затем дополнительно активировали в среде двуоксида углерода. Жгут полученного углеродного волокна может быть рарезан на куски заданной длины.
Получен жгут углеродного волокна с линейной плотностью 0,42 текс при содержании углерода 98%. Удельное объемное электрическое сопротивление углеродного волокна составляет 29 Ом/см при разрывной нагрузке 1,8 ГПа как элементарного углеродного волокна, так и его жгута в целом. Длительность процесса сокращена на 26%, обеспечено значительное снижение влажности полученного углеродного волокна до 1,8%. Обеспечена возможность проведения многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации с гарантированным поддержанием равномерной температуры каждой зоны, снижено выделение аморфного углерода как продукта распада смол и предотвращено его осаждение на поверхность изготавливаемого углеродного волокна.
4
2
2
3
3
3
Пример 2. В качестве исходного гидратцеллюлозного волокна использовали однонаправленный жгут высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна с мелкокристаллической ненапряженной структурой марки «Тенцель» с диаметром филамента исходного гидратцеллюлозного волокна жгута 8,5 мкм при его линейной плотности 0,07 текс. Однонаправленный жгут исходного гидратцеллюлозного волокна пропитали 4% кремнийорганической суспензией полиметилсилоксана в ацетоне. Затем жгут пропитали в качестве антипирена водным раствором хлорида аммония с концентрацией NHCl в количестве 150 г/л, содержащим мочевину с концентрацией (NH)CO в количестве 30 г/л. Сушку пропитанного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна провели с использованием электрического обогрева, т.е. без использования паровых обогревательных сушилок, при температуре 120°C в течение 60 минут. Затем перед безокислительной стабилизационной карбонизацией осуществили предварительную обработку высушенного жгута исходного гидратцеллюлозного волокна в кислородсодержащей атмосфере при температуре 140°C в течение 90 минут. Выполнили в токе инертной среды со скоростью 3,5 м/час в течение 60 минут многозонную безокислительную стабилизационную карбонизацию в проходной печи с усадкой исходного гидратцеллюлозного волокна на 20% с использованием в качестве инертной среды проходной печи аргона при проведении многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации. В первой зоне гидратцеллюлозное волокно термически обработали при температуре 230°C в течение 5 минут, во второй зоне - при температуре 260°C в течение 5 минут, в третьей зоне - при температуре 290°C в течение 5 минут, в четвертой зоне - при температуре 320°C в течение 5 минут, в пятой зоне - при температуре 360°C в течение 5 минут, в шестой зоне - при температуре 440°C в течение 5 минут, в седьмой зоне - при температуре 600°C в течение 5 минут и в восьмой зоне - при температуре 710°C в течение 5 минут. В процессе многозонной безокислительной стабилизационной карбонизации жгута пропитанного гидратцеллюлозного волокна осуществили отбор продуктов пиролиза в зоне наибольшего их выделения за счет небольшого избыточного давления нейтрального газа 120 мм вод. ст. и непрерывное доокисление в узлах сжигания при температуре 790°C при использовании дополнительной подачи сжатого воздуха со скоростью 0,3 м/час. Графитизацию карбонизованного волокна проводили при температуре 1000°C в среде аргона с содержанием кислорода не более 0,001%, при скорости протяжки жгута карбонизованного волокна при графитизации 15 м/час. Жгут полученного углеродного волокна дополнительно подвергли анодной электрохимической обработке с плотностью тока 1,0 А/дм, затем дополнительно активировали в среде водяного пара. Жгут полученного углеродного волокна может быть разрезан на куски заданной длины.