RU2130516C1 - Method of manufacturing carbon fiber - Google Patents

Method of manufacturing carbon fiber Download PDF

Info

Publication number
RU2130516C1
RU2130516C1 RU96118059A RU96118059A RU2130516C1 RU 2130516 C1 RU2130516 C1 RU 2130516C1 RU 96118059 A RU96118059 A RU 96118059A RU 96118059 A RU96118059 A RU 96118059A RU 2130516 C1 RU2130516 C1 RU 2130516C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fibers
carbon
fiber
acrylonitrile
production
Prior art date
Application number
RU96118059A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96118059A (en
Inventor
В.П. Бирюков
А.М. Плотников
С.Л. Кузнецова
Original Assignee
Акционерное общество "Балаковские волокна"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Балаковские волокна" filed Critical Акционерное общество "Балаковские волокна"
Priority to RU96118059A priority Critical patent/RU2130516C1/en
Publication of RU96118059A publication Critical patent/RU96118059A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2130516C1 publication Critical patent/RU2130516C1/en

Links

Landscapes

  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

FIELD: artificial fibers. SUBSTANCE: invention relates to carbon fiber that can be applied as fillers in production of sports- and industrial-destination products from carbon plastics and as starting materials in production of aircraft brake systems, composite fillers, and also as heat-resistant, filtration and sorption-active materials in chemical industry, mechanical engineering, and aircraft industry. Textile-destination fibers from acrylonitrile copolymer, containing at least 93 wt % of acrylonitrile and also methacrylate and methyl sulfonate or sodium styrenesulfonate, are first oxidized at 235-260 C for 35-60 min with spindle draft 20-30% and then at 230-260 C for 85-140 min with spindle draft from -5 to 5%. Fibers are then carbonized under nitrogen atmosphere for 10 min at temperature from 350 to 1500 C in pulled state. Wet-formation polyacrylonitrile fiber can also be used. Tensile strength of fibers containing at least 94 wt % carbon is up to 210 kg/sq. mm with density 1.73-1.78 g/cu.cm. EFFECT: reduced cost and widened resource of raw materials. 2 cl, 4 ex

Description

Настоящее изобретение относится к производству углеродных волокон ("Углеродные волокна", под ред. С. Симамуры, Москва, Мир, 1987, стр. 27) из сополимеров акрилонитрила. The present invention relates to the production of carbon fibers ("Carbon fibers", under the editorship of S. Simamura, Moscow, Mir, 1987, p. 27) from acrylonitrile copolymers.

Углеродное волокно может быть применено в качестве наполнителя при производстве изделий из углепластиков спортивного и промышленного назначения, в качестве исходного материала в производстве авиационных тормозных систем, в качестве рубленых и измельченных наполнителей композиционных материалов. Carbon fiber can be used as a filler in the production of carbon fiber products for sports and industrial purposes, as a starting material in the manufacture of aircraft brake systems, as chopped and ground fillers of composite materials.

Окисленное волокно, получаемое после термостабилизации может быть использовано в качестве термостойких, теплоизоляционных, фильтрующих, сорбционно-активных материалов в химической, машиностроительной, авиационной промышленности, в качестве сырья для производства композитов углерод/углерод и в других отраслях. The oxidized fiber obtained after thermal stabilization can be used as heat-resistant, heat-insulating, filtering, sorption-active materials in the chemical, engineering, aviation industries, as a raw material for the production of carbon / carbon composites and in other industries.

Полиакрилонитрильные волокна подразделяются на два основных типа: волокна текстильного назначения и волокна технического назначения ("Полиакрилонитрильные волокна", обзорная информация, НИИТЭХИМ, Москва, 1984, стр. 8). Для производства углеродных волокон используются полиакрилонитрильные волокна технического назначения, так называемые прекурсоры. При производстве прекурсоров с целью ускорения процесса окисления модифицируют состав сополимера, производят дополнительную очистку сополимера, обеспечивают получение ориентированной надмолекулярной структуры волокна с целью улучшения свойств получаемых углеродных волокон. Кроме этого, часто перед процессом термостабилизации производят дополнительную обработку волокна. Polyacrylonitrile fibers are divided into two main types: textile fibers and technical fibers (Polyacrylonitrile Fibers, Overview, NIITEKHIM, Moscow, 1984, p. 8). For the production of carbon fibers, polyacrylonitrile fibers of technical purpose, the so-called precursors, are used. In the manufacture of precursors, in order to accelerate the oxidation process, the composition of the copolymer is modified, the copolymer is further purified, and an oriented supramolecular structure of the fiber is obtained in order to improve the properties of the resulting carbon fibers. In addition, often before the process of thermal stabilization produce additional processing of the fiber.

Известно применение волокон на основе гомо- или сополимера акрилонитрила, полученных способом мокрого формования (а.с. СССР N 1816819, D 01 F 9/22), из сополимеров акрилонитрила с карбоксилсодержащими винильными соединениями, предварительно обработанными водными растворами солей и гидроокисей металлов (а.с. СССР, N 1816817, D 01 F 9/22), на основе ПАН, содержащего стабилизаторы (диоксидифенил, диафен НН) термоокислительной деструкции (а.с. СССР, N 1816821, D 01 F 9/22), на основе ПАН и бутадиеннитрильного каучука (а.с. СССР, N 1821500, D 01 F 9/22), из сополимера акрилонитрила, метилакрилата и итаконовой кислоты (а. с. СССР, N 910008, D 01 F 9/22), из полиакрильных филаментов, которые предварительно подвергают газотермическому окислению и обрабатывают кремнийорганической жидкостью (а. с. СССР, N 1697462, D 01 F 9/22). It is known to use fibers based on a homo- or acrylonitrile copolymer obtained by the wet spinning process (A.S. USSR N 1816819, D 01 F 9/22) from copolymers of acrylonitrile with carboxyl-containing vinyl compounds pretreated with aqueous solutions of metal salts and hydroxides (a .s. USSR, N 1816817, D 01 F 9/22), based on PAN containing stabilizers (dioxidiphenyl, diaphen NN) of thermo-oxidative degradation (a.s. USSR, N 1816821, D 01 F 9/22), based PAN and butadiene nitrile rubber (a.s. USSR, N 1821500, D 01 F 9/22), from a copolymer of acrylonitrile, meth lacrylate and itaconic acid (A.S. USSR, N 910008, D 01 F 9/22), from polyacrylic filaments, which are preliminarily subjected to gas thermal oxidation and treated with organosilicon liquid (A.S. USSR, N 1697462, D 01 F 9 / 22).

Известен способ получения углеродных волокон с использованием в качестве исходного сырья полимерных волокон из полиакрилонитрила, сополимера акрилонитрила с металлил-сульфокислотой или ее солью, сополимера акрилонитрила со стиролсульфокислотой или ее солью, сополимера акрилонитрила с акриламидметилпропансульфокислотой или ее солью, сополимера акрилонитрила с метилвинилкетоном или сополимера акрилонитрила с метилакрилатом и итаконовой кислотой. Исходное волокно нагревают в окислительной среде при 200-400oC, обеспечивая образование циклической структуры, затем подвергают карбонизации в среде азота или аргона при температуре более 800oC. При этом, с целью усовершенствования исходное волокно перед термообработкой пропитывают сульфатом, бромидом или иодидом аммония (патент США N 4603041 D 01 F 9/22).A known method of producing carbon fibers using as starting material polymer fibers from polyacrylonitrile, a copolymer of acrylonitrile with metal sulfonic acid or its salt, a copolymer of acrylonitrile with styrene sulfonic acid or its salt, a copolymer of acrylonitrile with acrylamide methyl propylene sulfonylate, acrylamidonitrile copolymer of copolyonetrionolitrile copolymer of copolyonitrile copolymer methyl acrylate and itaconic acid. The source fiber is heated in an oxidizing medium at 200-400 o C, providing the formation of a cyclic structure, then subjected to carbonization in nitrogen or argon at a temperature of more than 800 o C. In this case, in order to improve the source fiber is impregnated with ammonium sulfate, bromide or ammonium iodide (U.S. Patent No. 4,603,041 D 01 F 9/22).

Для получения указанных выше волокон применяются дополнительные технологические процессы и оборудование для их реализации. Это необходимо для решения проблем, связанных с зависимостью характера термического разложения полиакрилонитрильного волокна от содержания привитых мономеров (Углеродные волокна Под ред. С. Симамуры. -М.: Мир, 1987, с. 33) низкой скоростью окислительной термостабилизации волокна. Все это обосновано для получения высокопрочных углеродных волокон. Но в настоящее время указанные углеродные волокна применяют и в производстве спортивных и промышленных изделий, в производстве авиационных тормозов, где не требуются высокие механические показатели. Это завышает стоимость данных изделий из углеродных волокон и сужает сырьевую базу. To obtain the above fibers, additional technological processes and equipment for their implementation are used. This is necessary to solve the problems associated with the dependence of the nature of the thermal decomposition of polyacrylonitrile fiber on the content of grafted monomers (Carbon fibers Ed. S. Simamura. -M .: Mir, 1987, p. 33) at a low rate of oxidative thermal stabilization of the fiber. All this is justified for high-strength carbon fibers. But at present, these carbon fibers are also used in the manufacture of sports and industrial products, in the production of aircraft brakes, where high mechanical indicators are not required. This overstates the cost of these carbon fiber products and reduces the raw material base.

Кроме того, к настоящему времени в патентной литературе нет данных по получению углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, полученных способом сухого формования, так как такие волокна имеют практически неупорядоченную надмолекулярную структуру (Справочник по композиционным материалам Под ред. Д. Любина. -М.: Машиностроение, кн. 1, 1988, с. 259-260). In addition, to date, there is no data in the patent literature on the production of polyacrylonitrile-based carbon fibers obtained by dry molding, since such fibers have a practically disordered supramolecular structure (Handbook of Composite Materials Edited by D. Lyubin. -M.: Mechanical Engineering , book 1, 1988, pp. 259-260).

Наиболее близким техническим решением является способ получения углеродных волокон на основе из сополимера акрилонитрила (более 90 мас.%), метилакрилата и металлилсульфоната натрия, заключающийся в окислении указанного волокна в воздушной среде и карбонизации в среде азота при температуре от 350 до 1500oC под напряжением (DD, 101648, кл. 12 i 31/00, 12.11.73).The closest technical solution is a method for producing carbon fibers based on a copolymer of acrylonitrile (more than 90 wt.%), Methyl acrylate and sodium metallosulfonate, which consists in oxidizing the fiber in air and carbonizing in nitrogen at a temperature of 350 to 1500 o C under voltage (DD, 101648, CL 12 i 31/00, 12.11.73).

Данный способ имеет все недостатки, присущие получению углеродных волокон из волокон текстильного назначения, главным из которых является низкая скорость термостабилизации волокна, что завышает стоимость углеродных волокон для использования их в указанных направлениях. По данному способу нельзя использовать волокна, полученные методом "сухого" формования. This method has all the disadvantages inherent in the production of carbon fibers from textile fibers, the main of which is the low rate of thermal stabilization of the fiber, which inflates the cost of carbon fibers for use in these directions. According to this method, it is impossible to use fibers obtained by the method of "dry" molding.

Цель - получение более дешевых углеродных волокон и расширение сырьевой базы. The goal is to obtain cheaper carbon fibers and expand the raw material base.

Данная цель достигается тем, что получение углеродных волокон производят путем окисления волокна текстильного назначения сухого способа формования из сополимера акрилонитрила, содержащего не менее 93 мас.% акрилонитрила, метилакрилат и металлилсульфонат или стиролсульфонат натрия, в воздушной среде сначала при температуре 235-260oC в течение 35-60 мин с вытяжкой 20-30%, затем при 230-260oC в течение 85-40 мин с вытяжкой от 5 до +5% и дальнейшей карбонизацией под натяжением в среде азота при температуре от 350 до 1500oC в течение 10 мин.This goal is achieved by the fact that the production of carbon fibers is carried out by oxidizing textile fibers of a dry method of molding from a copolymer of acrylonitrile containing at least 93 wt.% Acrylonitrile, methyl acrylate and metal sulfonate or sodium styrene sulfonate, in air at first at a temperature of 235-260 o C in for 35-60 minutes with an extract of 20-30%, then at 230-260 o C for 85-40 minutes with an extract of 5 to + 5% and further carbonization under tension in a nitrogen medium at a temperature of 350 to 1500 o C within 10 minutes

Изобретение иллюстрируется следующими примерами. The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1. Example 1

Гофрированное волокно в виде непрерывного жгута 53000 текс из сополимера акрилонитрила сухого способа формования с поперечным сечением "собачья кость", содержащего не менее 93 мас.% акрилонитрила, метилакрилат и металлилсульфонат или стиролсульфонат натрия вытягивали в холодном состоянии для удаления гофр, затем окисляли в воздушной среде сначала при температуре 235oC в течение 60 мин с вытяжкой 30%, затем при 235-250oC в течение 140 мин с вытяжкой 5%. Полученное таким образом волокно карбонизовали под натяжением в среде азота при температуре от 350 до 1500oC в течение 10 мин. Полученное волокно содержало не менее 94 мас.% углерода, имело плотность 1,73 г/см3 и обладало прочностью на растяжение 210 кгс/мм2.A corrugated fiber in the form of a continuous tow of 53,000 tex from a dry bone-molded acrylonitrile copolymer with a cross section of dog bone containing at least 93 wt.% Acrylonitrile, methyl acrylate and metal sulfonate or sodium styrene sulfonate were pulled in a cold state to remove corrugation, then oxidized first at a temperature of 235 o C for 60 min with an extract of 30%, then at 235-250 o C for 140 min with an extract of 5%. The fiber thus obtained was carbonized under tension in nitrogen at a temperature of 350 to 1500 ° C. for 10 minutes. The resulting fiber contained at least 94 wt.% Carbon, had a density of 1.73 g / cm 3 and had a tensile strength of 210 kgf / mm 2 .

Пример 2. Example 2

Волокно по примеру 1 вытягивали в холодном состоянии для удаления гофр, затем окисляли в воздушной среде сначала при температуре 250oC в течение 50 мин с вытяжкой 30%, затем, при 230- 260o в течение 120 мин с усадкой 5%. Полученное таким образом волокно карбонизовали под натяжением в среде азота при температуре от 350 до 1500oC в течение 10 мин. полученное волокно содержало не менее 94 мас.% углерода, имело плотность 1,73-1,78 г/см3 и обладало прочностью на растяжение 195 кгс/мм2.The fiber of Example 1 was pulled in a cold state to remove corrugations, then it was oxidized in air at first at a temperature of 250 ° C for 50 minutes with a hood of 30%, then at 230-260 ° for 120 minutes with a shrink of 5%. The fiber thus obtained was carbonized under tension in nitrogen at a temperature of 350 to 1500 ° C. for 10 minutes. the resulting fiber contained at least 94 wt.% carbon, had a density of 1.73-1.78 g / cm 3 and had a tensile strength of 195 kgf / mm 2 .

Пример 3. Example 3

Волокно по примеру 1 в виде непрерывного жгута вытягивали в холодном состоянии для удаления гофр, затем окисляли в воздушной среде сначала при температуре 260oC в течение 35 мин с вытяжкой 20%, затем при 230-260oC в течение 85 мин. Полученное таким образом окисленное волокно имело плотность 1,39 г/мм3, прочность на растяжение 19,7 кгс/мм2, относительное удлинение при растяжении 18,1%.The fiber of Example 1 in the form of a continuous tow was pulled in a cold state to remove corrugations, then it was oxidized in air at first at a temperature of 260 ° C for 35 minutes with a hood of 20%, then at 230-260 ° C for 85 minutes. The oxidized fiber thus obtained had a density of 1.39 g / mm 3 , tensile strength 19.7 kgf / mm 2 , elongation at elongation 18.1%.

Пример 4. Example 4

Волокно, полученное по пункту 3, карбонизовали под натяжением в среде азота при температуре от 350 до 1500oC в течение 10 мин. Полученное волокно содержало не менее 94 мас. % углерода, имело плотность 1,73-1,78 г/см3 и обладало прочностью на растяжение 205 кгс/мм2.The fiber obtained in paragraph 3 was carbonized under tension in a nitrogen atmosphere at a temperature of 350 to 1500 ° C. for 10 minutes. The resulting fiber contained at least 94 wt. % carbon, had a density of 1.73-1.78 g / cm 3 and had a tensile strength of 205 kgf / mm 2 .

Полученные данные показывают возможность получения углеродных волокон с характеристиками, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к углеродным волокнам общего назначения, не из специализированного прекурсора, а из полиакрилонитрильного волокна текстильного назначения сухого формования, содержащего акрилонитрил, метилакрилат и металлилсульфонат или стиролсульфоната натрия путем соответствующей температурной активации в результате применения специальных температурно-временных режимов и вытяжек в процессе термостабилизации и карбонизации, причем продолжительность процессов термостабилизации и карбонизации соизмерима с продолжительностью термостабилизации и карбонизации при получении углеродных волокон из прекурсоров (а.с. СССР, N 180744, D 01 F 9/22). Применение такого процесса окисления и полиакрилонитрильного волокна текстильного назначения сухого способа формования снижает стоимость углеродных волокон на основе ПАН волокон и расширяет сырьевую базу для производства углеродных волокон. The data obtained show the possibility of producing carbon fibers with characteristics that meet the requirements for general-purpose carbon fibers not from a specialized precursor, but from a dry-formed textile polyacrylonitrile fiber containing acrylonitrile, methyl acrylate and metal sulfonate or sodium styrene sulfonate by appropriate temperature activation as a result of application special temperature-time regimes and hoods during thermal stabilization and carbonization, and the duration of the processes of thermal stabilization and carbonization is commensurate with the duration of thermal stabilization and carbonization upon receipt of carbon fibers from precursors (A.S. USSR, N 180744, D 01 F 9/22). The use of such an oxidation process and textile polyacrylonitrile fiber for the dry spinning process reduces the cost of carbon fibers based on PAN fibers and expands the raw material base for the production of carbon fibers.

Claims (2)

1. Способ получения углеродных волокон окислением волокна текстильного назначения из сополимера акрилонитрила в воздушной среде и карбонизацией в среде азота при температуре от 350 до 1500oC под натяжением, отличающийся тем, что окислению подвергают волокна из сополимера, содержащего не менее 93 мас. % акрилонитрила, метилакрилат и металлилсульфонат или стиролсульфонат натрия, сначала при 235 - 260oC в течение 35 - 60 мин с вытяжкой 20 - 30%, затем при 230 - 260oC в течение 85 - 140 мин с вытяжкой от -5 до +5%, а карбонизацию проводят в течение 10 мин.1. A method of producing carbon fibers by oxidizing textile fibers from an acrylonitrile copolymer in air and carbonizing in nitrogen at a temperature of 350 to 1500 ° C. under tension, characterized in that the fibers from the copolymer containing at least 93 wt. % acrylonitrile, methyl acrylate and metal sulfonate or sodium styrene sulfonate, first at 235 - 260 o C for 35-60 minutes with a hood of 20-30%, then at 230 - 260 o C for 85-140 minutes with a hood from -5 to + 5%, and carbonization is carried out for 10 minutes 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислению подвергают волокна, полученные методом сухого формования. 2. The method according to claim 1, characterized in that the fibers subjected to the dry spinning process are subjected to oxidation.
RU96118059A 1996-09-10 1996-09-10 Method of manufacturing carbon fiber RU2130516C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96118059A RU2130516C1 (en) 1996-09-10 1996-09-10 Method of manufacturing carbon fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96118059A RU2130516C1 (en) 1996-09-10 1996-09-10 Method of manufacturing carbon fiber

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU96118059A RU96118059A (en) 1998-12-27
RU2130516C1 true RU2130516C1 (en) 1999-05-20

Family

ID=20185309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96118059A RU2130516C1 (en) 1996-09-10 1996-09-10 Method of manufacturing carbon fiber

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2130516C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2611509C2 (en) * 2015-06-19 2017-02-27 Нина Александровна Попова Method of producing single-layer carbon micro- and nanotubes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. - М.: Химия, 1974, с.139. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2611509C2 (en) * 2015-06-19 2017-02-27 Нина Александровна Попова Method of producing single-layer carbon micro- and nanotubes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3529934A (en) Process for the preparation of carbon fibers
CA1095206A (en) Process for producing carbon fibers
JP3283967B2 (en) Method for treating carbon fiber reinforced plastic and method for producing recycled carbon fiber
Bahl et al. Manufacture of carbon fibers
DE68916086T2 (en) Process for the production of carbon / carbon composites.
DE2826114A1 (en) CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF
DE3628659C2 (en)
US4080417A (en) Process for producing carbon fibers having excellent properties
Acatay Carbon fibers
RU2429316C1 (en) Procedure for continuous production of hydrated cellulose of carbon fibre in form of unidirectional braid
US3682595A (en) Method of preparing carbonaceous non-woven fabric
US3852428A (en) Manufacture of carbon fibres
JP7264190B2 (en) Method for manufacturing carbon material
RU2130516C1 (en) Method of manufacturing carbon fiber
DE1946473A1 (en) Process for producing a stabilized acrylic fiber material
JPH02242920A (en) Carbon fiber containing composite metal
US4452601A (en) Process for the thermal stabilization of acrylic fibers and films
DE3203659A1 (en) Process for producing a sintered body
US5292408A (en) Pitch-based high-modulus carbon fibers and method of producing same
JP4022606B2 (en) Expanded graphite, method for producing the same, and oil absorbing material
JP2625783B2 (en) Method for producing carbon fiber reinforced carbon composite
US3813219A (en) Process for the thermal stabilization of polyacrylonitrile fibers and films
WO2013060792A1 (en) Carbon fibres, carbon fibre precursors and production thereof
RU2741012C1 (en) Method of producing carbon fiber and based materials
US3656883A (en) Process for the stabilization of acrylic fibers