СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОМОДУЛЬНОГО ВОЛОКНА ИЗ СРЕДНЕПРОЧНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН
METHOD OF PRODUCING HIGH-MODULUS FIBRE FROM AVERAGE-STRENGTH CARBON FIBRE

Изобретение относится к металлургии, в частности, к способам получения из среднепрочных волокон на основе полиакрилонитрильных жгутиков высокомодульных углеродных волокон, которые могут затем использоваться для производства высококачественных композитов.
Высокое качество достигается за счет компактной формы получаемых углеродных жгутов, обеспечивающей высокое содержание углеродных волокон в композите и максимальную реализацию механических свойств композиционного материала. Получение таких углеродных волокон традиционным способом невозможно.
Известен способ получения углеродного волокна с повышенным модулем упругости, описанный в Трудах НИИГрафита "Директивный технологический процесс производства жгута углеродного марки ВПР-19С", инв. №256, 1987.
Известный способ заключается в том, что процесс проводят в статических условиях с использованием высокотемпературной обработки. Окисленное полиакрилонитрильное волокно в виде пасм длиной до 1800 мм загружают в графитовые тигли, которые помещают в электрические печи сопротивления и подвергают волокно высокотемпературной обработке в диапазоне температур 2800-3000°С.
Недостатком известного способа является то, что волокно по этому способу получают только в дискретном виде.
Известен способ получения высокомодульного углеродного волокна, описанный в патенте ВБР №1295289 по кл. С1А, опубл. 1972 г.
Известный способ заключается в том, что окисляют в среде воздуха полиакрилонитрильное волокно до плотности 1,0-1,4 г/куб. см, затем окисленное волокно карбонизируют при температуре 675-725°С в течение 60-150 с в нейтральной среде, пропитывают 10-15%-ным раствором борной кислоты при температуре пропитки 40-70°С, затем сушат тепловым ударом при 200-300°С и подвергают высокотемпературной обработке в интервале температур 2000-2100°C не менее 20 с и с вытяжкой 0,-1,5%.
В результате получают углеродное волокно с плотностью 1,85-2,05 г/куб. см и модулем упругости 435-470 ГПа.
Недостатком известного способа является нестабильность процесса и, соответственно, недостаточная воспроизводимость результатов.
Известен способ получения высокомодульного углеродного волокна, описанный в одноименном патенте РФ №2016147 по кл. D01F 9/22, з. 17.10.91, оп. 15.07.94.
Известный способ заключается в том, что предварительно окисленное до плотности 1,36-1,40 г/куб, см полиакрилонитрильное волокно карбонизуют в нейтральной среде, пропитывают водным раствором, содержащим 5-10 мас.% борной кислоты и 5-10 мас.% тетраборнокислого натрийгидрата и сушат термоударом при 150-250°С и ведут высокотемпературную обработку в интервале температур 2050-2150°С.
Недостатком известного способа также является недостаточная воспроизводимость результатов процесса.
Известен способ получения непрерывного высокомодульного углеродного волокна, описанный в з. №2007110120 и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ получения высокомодульного углеродного волокна включает подготовку ПАН-жгута на основе комплексных ПАН-нитей, имеющих 100 круток на 1 метр, термостабилизацию ПАН-жгута в изотермических условиях и в аппаратах периодического действия и высокоскоростную термомеханическую обработку в нейтральной среде. При этом в качестве исходного сырья используют ПАН-нити с линейной плотностью не ниже 50 текс, из них изготавливают трощеный ПАН-жгут с линейной плотностью 800/1200 текс, который термостабилизируют в изометрических условиях к атмосфере воздуха по следующему ступенчатому режиму: 180°С - 1 час, 200°С - 1 час, 220°С - 1 час, 240°С - 4 часа до плотности 1,43-1,45 г/куб. см, затем проводят высокоскоростную термомеханическую обработку термостабилизированного толстого ПАН-жгута в изометрических условиях в среде азота при температуре 2200°С в течение примерно 10 сек со скоростью подъема температуры 1900-2000 град/мин, далее углеродный жгут подвергают дополнительной обработке в среде аргона при температуре выше 3000°С.
Недостатком известного способа являются ограничения в объемах производства углеродного волокна, обусловленные ограничениями в поставках исходного ПАН-волокна, поступающего в виде комплексной нити с линейной плотностью 50 текс. Другими недостатками являются ограничение проведения процесса термостабилизации в аппаратах периодического действия в условиях изометрии, а также ограничения по линейной плотности выпускаемых высокомодульных жгутов 800-1200 текс.
Выпуск среднепрочных углеродных волокон в мировой практике производится в больших масштабах. При этом цены на данный вид углеродных волокон достаточно низкие. А производство высокомодульных углеродных волокон носит ограниченный характер в связи с высокой стоимостью их производства. Тем не менее для решения конкретных высокотехнологичных задач в различных отраслях техники постоянно возникает потребность в высокомодульных углеродных волокнах для производства высококачественных композиционных материалов. В случае возникновения таких задач представляет интерес возможность переработки уже готовых, относительно дешевых серийных углеродных волокон в высокомодульные углеродные жгуты.
Задачей является получение высокомодульных углеродных жгутов различной линейной плотности, имеющих максимально компактную форму и модуль упругости не менее 450 ГПа.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения высокомодульного волокна из среднепрочных низкомодульных углеродных волокон, включающем использование углеродного волокна на основе ПАН-сырья, изготовление из него жгута, его первую термообработку при температуре не ниже 2200°С и вторую высокоскоростную термообработку при температуре не ниже 3000°С, согласно изобретению, в качестве исходного сырья используют среднепрочное углеродное волокно с линейной плотностью 200-1600 текс и модулем упругости 200-250 ГПа, которое подвергают крутке до величины 30-60 круток/м при содержании в нем аппрета более 1% и дополнительно аппретируют при содержании аппрета менее 1%, затем подкрученный жгут подвергают первичной термообработке при температуре 2300-2500°С в течение 1-10 мин до возрастания модуля упругости углеродного жгута до значения не менее 300 ГПа, затем проводят вторую термообработку в течение нескольких секунд (1-20 с) при вытяжке жгута до 10% до возрастания модуля упругости углеродного жгута до величины не менее 450 ГПа.
Использование в качестве исходного сырья углеродных волокон с достаточно высокой линейной плотностью в совокупности с дополнительным аппретированием углеродного волокна, позволяющим снизить его травмирование в процессе подкрутки, и проведение первичной термообработки для повышения модуля упругости углеродного жгута, обеспечивающее возможность проведения второй термообработки, дает возможность получить из среднепрочного углеродного волокна высокомодульное углеродное волокно.
Технический результат - получение из среднепрочных углеродных волокон высокомодульного углеродного волокна различной линейной плотности при относительно небольших затратах.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как использование в качестве исходного сырья среднепрочного углеродного волокна на основе ПАН с линейной плотностью 200-1600 текс и модулем упругости 200-250 ГПа, выполнение крутки до величины 30-60 круток/м при содержании в нем аппрета более 1% и дополнительное аппретирование при содержании аппрета менее 1%, первичная термообработка подкрученного жгута при температуре 2300-2500°С в течение 1-10 мин до возрастания модуля упругости углеродного жгута до значения не менее 300 ГПа, вторая термообработка жгута в течение нескольких (1-20) секунд при вытяжке жгута до 10% до возрастания модуля упругости углеродного жгута до величины не менее 450 ГПа, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в производстве высокомодульных углеродных жгутов различной линейной плотности, применяемых для производства высококачественных композитов, используемых в области машиностроения, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ заключается в следующем.
Для получения высокомодульного углеродного волокна в качестве исходного сырья используют среднесрочное углеродное волокно с линейной плотностью 200-1600 текс и модулем упругости 200-250 ГПа. Это волокно подвергают крутке до величины 30-60 круток/м при содержании в нем аппрета более 1% и дополнительно аппретируют при содержании аппрета менее 1%. Затем подкрученный жгут подвергают первичной термообработке при температуре 2300-2500°С в течение 1-10 мин до возрастания модуля упругости углеродного жгута до значения не менее 300 ГПа. После этого проводят вторую термообработку при температуре не ниже 3000°С в течение нескольких (1-20) секунд при вытяжке жгута до 10% до возрастания модуля упругости углеродного жгута до величины не менее 450 ГПа.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Углеродное волокно, изготовленное на основе полиакрилонитрильного жгутика 12 К с модулем упругости 200 ГПа, линейной плотностью 800 текс и содержанием аппрета 0,7% (поливиниловый спирт) подвергается дополнительному аппретированию в растворе поливинилового спирта. Данная операция проводится с целью снижения травмирования филаментов жгута в процессе его подкрутки до необходимой величины. Далее углеродное волокно с содержанием аппрета более 1% подвергается крутке до величины 30-60 круток/метр. Высокотемпературную обработку углеродного жгута проводят в инертной среде в две стадии. На первой стадии, проводимой при температурах 2300-2500°С в течение 1-10 минут, и вытяжке жгута 0-5%, получают углеродное волокно с модулем упругости 300 ГПА. На последней стадии это волокно подвергают кратковременной дополнительной термообработке при температуре не ниже 3000°С в течение нескольких (1-20) секунд и при вытяжке жгута до 10%. В результате такой термообработки получается углеродный жгут с модулем упругости не менее 450 ГПА. Подкрутка углеродного жгута перед проведением первой стадии термообработки до величины 30-60 кр/метр позволяет после высокотемпературной обработки получить углеродный жгут предельно компактной формы с идеальным внешним видом.
В сравнении с прототипом заявляемый способ позволяет при сравнительно небольших затратах получить из низкомодульных углеродных жгутов высококачественное углеродное волокно различной линейной плотности с модулем упругости не менее 450 ГПа, имеющее более широкие возможности применения.