CS251550B1 - Sposob přípravy uhlíkových vláken z izotropných pyrolýznych živíc - Google Patents

Description

251550 Předmětem tohoto vynálezu je spósobpřípravy uhlíkových vláken z izotropnýchpyrolýznych živíc za účelom zvýšenía ichmechanických vlastností.

Uhlíkové vlákna sa pripravujú pyrolytic-kou .karbonizáciou vhodných, upravených,organických vlálkenných materiálov. Pod-mienlky úpravy a karbonizácie musia byťvolené tak, aby sa nenarušil tvar vláken azaistil vývoj ich vhodnej vnútornej štruk-túry a tým vývoj žiadúcich 'mechanickýchvlastností.

Toto sa uskutečňuje tak, že východiskovévlákenné materiály sa podía ich povahy priregulovaných podmienkach predtoežne na-oxidujú najčastejšie vzdušným kyislíkom apotom sa v inertnej atmosféře poidroíbia py-rolýznej ikarbonizácii pri postupné zvyšova-nej teplote v intervale cca 400 až 1 300 °C.Rýchlosť nárastu teploty sa volí podl'a po-vahy a vlastností materiálu východiskovýchvláken. V niektorých príparioch sa postupuje tak,že sa vlákna v určitých štádiach ohřevupodrolbujú díženiu. Přitom díženie niekto-rých yzniikajúcich uhlíkových vláken prikapbonizácií sa uvádza ako podmienlka převznik vysoikomolekulových uhlíkových vlá-ken. Pri použití izotropných pyrolýznychživíc ako východiskové] suroviny sa dopo-ručuje prevádzať díženie uhlíkových vlákennad 950 °C.

Uváidzaný postup so zariadením dlženiapri príprave uhlíkových vláken podstatnézlepšuje dosiahnuté mechanické vlastnosti.Umožňuje přípravu vystužovacích vysoko-modulových vláken aj z takých východisko-vých materiálov, z ktorých pri bežnom po-stupe přípravy bez dlženia vznikajú vláknapoužitelné len pre izolačně účely. Z uvedeného je zřejmé, že .zariadenie vy-sokotelpelného dlženia do procesu karboni-zácie vyvolává vznik priaznivých vlastnostíuhlíkových vláken a umožňuje použitie ajmenej vhodných surovin širšieho ikvalita-tívneho sortimentu. Nevýhodou uvedenéhopostupu je velmi vysoká náročnost jehotechnického prevedenia.

Ultimatívnou požiadavkou pre uskutočne-nie aikýchkoivek vysolkotepelných procesovs organickými materiálmi je úplná inertnosťprostredia. Prakticky úplné vylúčenie pří-stupu kyslíka, resp. vzdúchu, nenáročné pristacionárnych uzavretých syistémoch, je pridlžení uhlíkových vláken pri vysokých tep-lotách velmi obtiažne. Pri dlžení sa musítechnicky zaistiť poměrně vysoká rýchlosťpohybu vlákna cez dížiacu zónu, včítanejeho rýchleho ohriatia a ochladenia tak, ževlákno smie opustit' priestor is inertnouatmosférou až po jeho schladení.

Rovnako musí sa vyriešiť utesnenie stříbrňpre vstup a výstup vláken, aby do zóny dl-ženia nemohol preniknúť kyslík. Okrem to-ho vážným problémom je technické riešeniemanípulácie s vláknom v horúcom .zariade-ní, predovšetkým pri jeho navádzaní před zahájením procesu dlženia a po každompřerušení vlákna tak, aby nevznikali pro-blémy s oxidáciou vláken.

Technická náročnost dlženia uhlíkovýchvláken pri vysokých teplotách v přísnéinertnej atmosféře je zrejme příčinou snahyvyhnút sa tejto operácii. Pri príprave uhlí-kových vláken pre Izolačně účely bez ná-roikov na úroveň mechanických vlastnostísa táto operácia jednoducho vynechává.

Iný, principiálně odlišný, ale technickynáročný postup, ktorý umožňuje přípravuvysokomodulových, alebo vysokopevnýchuhlíkových vláken bez procesu dlženia privysokých teplotách je použitie anizotrop-ných, takzv. mezofázových živíc. Tento po-stup je rozhodne technicky najprogresívnej-ší. Jeho realizácia je však podmlenená do-stupnosťou vhodných surovin a zvládnutímich premeny na anrzotropnú živicu s dobrý-mi vláknotvornými a spracovatefskýmivlastnostami.

Obmedzená dostupnost anizotropnej živi-ce s požadovanými vláknotvornými vlast-nostami vedie alebo· k príprave uhlíkovýchvláken s nízkými mechanickými vlastnasťa-mi, aleibo k nutnosti zařadit do technolo-gických oiperácií přípravy uhlíkových vlá-ken proces dlženia pri vysokej teplote,alebo inú operáciu, ktorá by zaisťovala zvý-šenie orientovaného vnútorného usporiada-nia připravovaných uhlíkových vláken.

Riešenie podTa vynálezu využívá tenden-cie tuhoreťazových polymérov tvořit na-priamené molekuly a podía podmienokčiastočne vytvárať ich paralelné zoskupe-nia. Poidmienikou dosiahnutia čiastočne zvý-šeného vnútorného usporiadania a vyššíchmechanických vlastností uhlíkových vlákensa ukázalo nájdenie vhodného tepelnéhorežimu v určitých štádiach karbonizácie pritvorbě uhlíkových vláken.

Experimentálně sa zistilo, že vhodnýmspósobom přípravy uhlíkových vláken zizotropných pyrolýznych živíc je postup,pri iktorom stúpajúca teplota v priebehukarbonizácie sa v tepelnom Intervale 9'50až 1050 °C udržuje pri nenapnutom stavevláken dlhšie ako 20 min. Udržanie doibyohřevu v uvedenom tepelnom intervale samóže uskutečnit změnou gradientu nárastuteploty karbonizácie, alebo ustálením tep-loty v intervale 980 až 1 030 °C na dobu viacako 10 minút alebo sa použije kombináciaobidvoch postupov.

Po uskutečnění uvedenej operácie — změ-ny v režime pravidelného ohřevu — sa mó-že podía potřeby pokračovat v ďalšom o-hrievaní karbonizovaných vláken pri. stú-pajúcej teplote do požadovaného· stupňa.

Navrhnutý postup sa opiera o nasledujúceskutečností: — Tepelne kondenzačně procesy pri karbo-nizácii vedú pri postupnom náraste ob-sahu uhlíka ku vzniku a nárastu

Claims (2)

1. 251550 vyisokokondenzovaných polyaromatic- kých molekul s prevládajúcou planár-nou strukturou. Tieto- sa podlá tvarové,jdispozície molekul, kinetických energiína prekonanie priestorových bariér má-zu zcokuipovať do nadmolekulových, viacmenej planárných málo pohyblivých ú-tvarov štruktúrne podobných, so stavbounedokonale vyvinutej grafitickej struk-tury. -- Tendeocia molelkúl upravovaných živícvystupovat v napriamenom tvare a vy-tvárať usporíadané nadmolekulové štruik-ťúry je v súlade s posobením termodyna-mických sil. To znamená, že za priazni-vých vonkajších podmienok může déjsťk určitému samovolnému usporiadaniu— orientovanie štruktúry vláken bezklasického díženia. — Konečný efekt takéhoto usporiadania jevýislednicou poměru sil súdržnosti mole-kul, ich termického pohybu, priestoro-vých bariér a energií z priaznivéhousporiadania molekúl. Experimentálně je zistené a popísané, žek přechodnému vzniku plasticity kariboni-zovaného materiálu docháidza olkolo 950 °C.To zodpovedá spodnej teplote pře díženievznilkajúcich uhlíkových vláken. Je to všakaj teplota, pri ktorej ako sa ukázalo, možedochádzať k samovolnému usporiadaniumolekúl a zvyšovaniu orientácie vláken. Třeba ovšem vidieť, že vznik orientovanejštruktúry púhym termickým pohybom mo-lekúl bez vonkajšieho mechanického poso-benia prebieha podstatné pomalšie a dlhšie,ako pri dlžení a miera dosiahnutého uspo-riadania je nižšia. Nižší je aj konečný do-siahnutý účinolk na zvýšenie mechanickýchvlastností vláken. Na druhej straně je navrhnutý postup ajeho technické prevedenie podstatné jed-noduchší a uskutečnitelný i za podmienoka na zariadení pre přípravu uhlíkových vlá-ken pre tepelne izolačně účely. Okrem tohosú aj požiadavky na použitelné surovinyshodné so surovinami pře kvalitativně nižšiedruhy uhlíkových vláken. Příklad 1 Vlákna připravené pre porovnanie běž-ným sp&soibom z tpyrolýznej živice a termo-setované ohrevom na vzduchu pri teplotedo 300 °C sa karbonizovali ohrevom vo vy-sokom vákuu 10~2 Pa pri stúpajúcej teplotev intervale 35i0 a'ž 1000 °C s teplotnýmgradientem 10 °C/min. Vlákno sa nedalovychladnúť v atmosféře -dusíka. Připravenéuhlíkové vlákno o· hrúbke jednotlivých fib-ríl 0 — 33 ,«m málo pevnost 450 MPa. Příklad 2 Uhlíkové vlákna připravované podobnýmpostupem ako v příklade 1, sa bez preruše-nia ďalej ohrievali pri teplote 1000 °C ešte1 hodinu. Pevnost vláken bola 750 MPa. Příklad 3 Postupovalo sa ako v příklade 1, s tým,že po 'dosiahnutí teploty kanbonizácie 980stupňov C sa stúpanie teploty zastavilo avlákno sa 1 hodinu ohrievalo ina tuto tep-lotu. Potom sa teplota vlákna opat nechalarýchlosťou 10 °C/min stúpať - na teplotu1 000 °C. Pevnost vláken bola 660 MPa. Příklad 4 Vlákna — pre porovnanie — sa 'karboni-zovali ako v příklade 1, s tým rozdielom,že teplota sa pri rovnakom tepelnom gra-diente zvyšovala až do 1100 °C. Pevnostvláken bola 490 MPa. P r i k 1 a d 5 Vlákna sa karbonizovali ako v příklade4, s tým, že pri stúpajúcej teplote sa po do-siahnutí 1 050 °C udržuje táto teplota ešte15 min. Pevnost vláken bola 570 MPa. Příklad 6 Postup bol podobný ako v příklade 5, stým rozdielom, že ohřev pri 1 050 °C sa pre-dížil na 60 minút. Pevnost vláken bola550 MPa. PREDMET

   1. Sposob přípravy uhlíkových vláken zizotropných pyrolýznych živíc význačnýtým, že stúpajúca teplota vláken v priebehukarbonizácie sa v tepelnom intervale 950až 1050 °C udržuje pri nenapputom stavevláken dlhšie ako 20 minút.
2. 2. Sp&soto podl'a bodu 1, vyznačený tým, že udržani-e doby ohřevu v uvedenom te-pelnom intervale 950 až 1 050 °C sa usku-tečňuje znížením gradientu marastu teploty,alebo ustálením teploty v intervale 980 až1030 C'C na dobu viac alko 10 minút, alebo-sa použije kombinácia obidvoch postupov.