СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING CARBON FIBRE MATERIAL

Изобретение относится к технологии получения углеродного волокнистого материала, используемого в качестве материала для высокотемпературной изоляции, нагревателей, токопроводящих элементов, наполнителей пластмасс, армирующих элементов, изделий медицинского назначения, защитных, сорбционных и других материалов.
Известен способ получения углеродного волокнистого материала пропиткой исходного целлюлозного волокна водным раствором катализатора на основе смеси гидроортофосфата и хлорида аммония до содержания его на волокне 15-30 мас.%, сушкой и термообработкой (см., например, описание изобретения к патенту США №3235323, НКИ 8 - 116.2, опубл. 1966).
Недостатком этого способа является неравномерность температурного воздействия на волокно в различных точках обрабатываемого материала и возникновение вследствие этого локального перегрева, что приводит к снижению уровня прочности углеродного волокнистого материала и увеличению нестабильности ряда показателей.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ получения углеродного волокнистого материала, включающий пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию (см, например, описание изобретения к патенту РФ №2016146, D01F 9/16, опубл. 15.07.1994).
Недостатком этого способа является неравномерность создаваемого теплового поля в обрабатываемой камере и вследствие этого неравномерность нагрева волокна, а также трудности, связанные с точной установкой требуемой температуры из-за инерционности нагревательных элементов.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата.
Технический результат от использования предложенного изобретения - повышение эффективности способа за счет расширения функциональных возможностей без применения дополнительного оборудования, т.е. с использованием одного источника СВЧ с регулируемой мощностью 1-50 кВт, а также повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного волокнистого материала, включающем пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию, целлюлозное волокно пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают и высушивают при температуре 95±5°С, а сушку и термообработку высушенного целлюлозного волокна проводят в среде метана до температуры 220°С с последующим нагревом частично карбонизованного материала в среде азота до температуры 2400°С.
Предложенный способ отвечает условиям патентоспособности "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", поскольку он может быть реализован существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Заявляемый способ заключается в следующем. Исходное целлюлозное волокно пропитывают водным раствором соли сильной кислоты и азотсодержащего основания (фосфата, хлорида аммония и др.) или водными растворами, содержащими смеси этих веществ до содержания на волокне до 30%. Пропитанный материал карбонизируют до температуры 240-500°С и подвергают температурной обработке. Указанная задача решается таким образом, что сушку и термообработку производят в присутствии введенного катализатора с применением генератора сверхвысоких частот (СВЧ), а рабочая камера с волокном являются нагрузкой для источника энергии СВЧ.
В качестве источников СВЧ энергии используются СВЧ генераторы мощностью 1-5 КВт с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью 1-50 КВт с рабочей частотой 915 МГц. Выбор типа генератора и его мощность определяют размерами рабочей камеры и количеством помещаемого материала в камеру.
Обеспечение равномерного СВЧ нагрева и установления требуемой температуры нагрева обеспечивают преимуществами, которые СВЧ нагрев имеет по сравнению с традиционными источниками:
- тепловая безинерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал, что приводит к высокой точности регулировки процесса нагрева и его воспроизводимости;
- возможность равномерного нагрева при соответствующем подводе энергии в камеру, т.к. нагрев полем СВЧ происходит одновременно во всех точках обрабатываемого материала, чего невозможно достичь традиционными методами;
- высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую (теоретически близок к 100%) при соответствующей конструкции камеры;
- возможность избирательного нагрева отдельных составляющих многокомпонентных смесей (нагревают составляющие, имеющие высокое значение tg д);
- возможность саморегулирующего нагрева при сушке материалов, у которых tg д пропорционален влажности: высушенные области перестают нагреваться, а там, где сохранилась повышенная влажность, нагрев продолжают.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Целлюлозное волокно круглого сечения, полученное по кордному способу с применением модификатора и ориентационной вытяжки прочностью 36-38 гс/текс, линейной плотности 192 текс, подвергают текстильной переработке в ткань 2/2 саржевого переплетения и используют в качестве исходного образца для получения волокнистого материала. Образец вискозной ткани пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают на плюсовке и высушивают традиционном способом при температуре 95±5°С. Высушенную ткань подвергают термической обработке до температуры 220°С в среде метана, используя СВЧ-генератор мощностью 1 КВт с рабочей частотой 2450 МГц, после чего полученный частично карбонизованный материал нагревают до температуры 2400°С в среде азота. Получают мягкую графитированную ткань.
Проведенные исследования показали, что при получении заявленного углеродного волокнистого материала предел прочности при разрыве на 5 см ширины ткани составил не менее 60 кгс по основе и не менее 25 кгс по утку, что примерно на 12% выше аналогичных показателей материала, полученного по традиционной технологии.
Пример 2. Целлюлозное волокно перерабатывают по примеру 1, изменяя только мощность генератора на стадии карбонизации: 1500 Вт; 2000 Вт; 2500 Вт; 3000 Вт; 3500 Вт; 4000 Вт; 4500 Вт; 5000 Вт.
Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.