Разработка процессов получения углеродных волокнистых материалов с использованием пиролитических добавок

В настоящее время значительно возрос интерес и спрос на среднеи низкомодульные углеродные волокнистые материалы (УВМ), что свидетельствует о расширении сфер применения этого вида продукции. Такие материалы используют в различных областях современной промышленности, науки, техники и медицины, прежде всего в качестве наполнителей полимер — углеродных и углерод — углеродных композиционных материалов, термозащитных элементов, носителей катализаторов, сорбентов и токопроводящих материалов. Однако в силу больших удельных затрат сырья и энергии, низкого выхода готового продукта, стоимость выпускаемых УВМ сравнительно велика, что сдерживает их распространение в России и странах СНГ. Выход углеродных волокнистых материалов (отношение масс готового и исходного волокна) является важным технико-экономическим показателем производства, зависящим от свойств и условий подготовки исходного сырья, использования специальных пиролитических добавок и условий высокотемпературной обработки.

Теория и практика получения УВМ показывает, что среди наиболее важных путей совершенствования процессов и технологий их получения следует выделить: расширение круга исходных волокон — прекурсоровприменение новых добавок, способствующих повышению выхода готовых продуктов и снижению продолжительности и температуры получения УВМмодификацию волокнообразующих полимеров перед и/или в процессе высокотемпературной обработки.

Комплексный подход, учитывающий все особенности получения УВМ, позволяет не только увеличить экономическую эффективность процесса, но и улучшить их технические и потребительские свойства.

Научный интерес работы состоит в том, что впервые изучены закономерности пиролиза как исходных, так и предварительно импрегнированных пиролитическими добавками полиоксадиазольных волокнистых материалов, и предложена обоснованная модель физико-химических преобразований, происходящих в процессе термообработки данного полимера в инертной среде. Вместе с тем, изучены особенности процессов, происходящих в предварительно импрегнированных пиролитическими добавками и их системами гидратцеллюлозных волокнистых материалах при термолизе в инертной среде. Выявлен синергический характер воздействия исследуемых пиролитических систем на процесс пиролиза полимерных волокон. На основании комплексных исследований предложены и обоснованы модели физических преобразований в процессе пиролиза гидратцеллюлозных волокнистых материалов в отсутствии и в присутствии пиролитических добавок. Установлен характер влияния предварительного окисления исходных и импрегнированных пиролитическими добавками волокон — прекурсоров на выход и прочность УВМ. Впервые для характеристики выхода углеродных волокнистых материалов предложен параметр К (выход нетто), определяющий количество обеззоленного пекового остатка, непосредственно формирующего структуру волокна.

Практическим результатом исследований является разработка технологий получения различного вида УВМ из гидратцеллюлозных (ГЦ) и полиоксадиазольных (ПОД) прекурсоров, позволяющих получать углеродные материалы с высоким выходом и регулируемой прочностью. Опытные партии углеродных материалов получены в производственных условиях. Приоритет углеродных волокнистых материалов и разработанных способов их получения защищены патентами и заявками на патенты.

Настоящая работа является продолжением серии экспериментов, связанных с разработкой технологических режимов и поиском дешевых и эффективных прекурсоров и пиролитических добавок, позволяющих получать углеродные материалы с высокими выходом, физико-механическими свойствами и/или высокими сорбционными характеристиками.

Диссертационная работа ориентирована на выпуск полномасштабных партий готовой продукции на действующем оборудовании ПО «Химволокно» (г. Светлогорск, Беларусь).

Тематика работы включена в совместную межгосударственную программу Россия — Беларусь «Создание и организация серийного производства оборудования для выпуска химических волокон» (код 111 010) и Координационного плана РАН по научно-исследовательским и опытно-промышленным работам по синтезу, исследованию и применению адсорбентов (тема 2.15.3).

Выполненная диссертационная работа прошла широкую апробацию на профильных конференциях и семинарах, новизна исследования подтверждена патентами и заявками на изобретения, по теме диссертации опубликовано 10 научно-технических печатных работ.

Автор выражает глубокую благодарность за поддержку и обсуждение результатов д.х.н., проф. Грибанову A.B., к.т.н. Асташкиной О. В., Басок М.О.- студентам и сотрудникам кафедры ТХВ и КМ за помощь в написании работы.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Изучено влияние различных пиролитических добавок и систем пиролитических добавок на процессы получения углеродных волокнистых материалов из гидратцеллюлозного сырья.

2. Показано, что применение систем пиролитических добавок приводит к синергическому эффекту воздействия на выход и/или прочность углеродных волокон. Наиболее эффективной системой добавок, является система неорганических солей КН4С1:>Ш4ВР4, позволяющая получить углеродные волокнистые материалы с выходом 44,5% и прочностью 43 сН/текс.

3. Впервые исследованы закономерности пиролиза полиоксадиазольных волокон и рассмотрено влияние пиролитических добавок, предварительного окисления и изотермической выдержки на выход и прочность углеродных продуктов. С использованием пиролитических добавок получены углеродные волокна с различными конечными температурами обработки, высоким выходом — до 58,1% и прочностью — до 54,5 сН/текс.

4. На основании комплексных исследований предложены модельные представления о преобразованиях, происходящих в гидратцеллюлозных и полиоксадиазольных прекурсорах в ходе пиролиза, как в отсутствии, так и в присутствии добавок. Это позволяет теоретически обосновать и дать практические рекомендации по проведению высокотемпературной обработки этих полимерных материалов.

5. В условиях производства апробированы разработанные способы получения углеродных волокнистых материалов, наработаны опытные 1 партии углеродных материалов.

6. Предложено оценивать выход углеродных материалов с помощью новой характеристики — выхода нетто, определяющей количество обеззоленного пекового остатка, непосредственно формирующего структуру волокна.