Спосіб одержання вуглецевого волокнистого матеріалу

Изобретение относится к получению углеродных волокнистых материалов (УВМ) и может быть использовано для получения теплозащитных, фильтрующи х, сорбционно-активных материалов в химической, машиностроительной, авиационной промышленности и других отраслях. Известен способ получения гибких, эластичных волокнистых углеродных материалов посредством термообработки волокнистого материала из полиакрилонитрильного (ПАН) волокна до температуры 250°C с последующим кратковременным нагревом до 400-2400°C в воздушной среде с последующим быстрым охлаждением до температуры 20-100°C [1]. Недостатком данного способа является то, что термохимические реакции, протекающие в ПАН волокне при его нагревании в среде воздуха, сопровождаются экзотермическим эффектом, вызывающим локальный перегрев волокнистого материала. Это явление обусловливает необходимость проведения термической обработки в строго регламентированных условиях, предотвращающи х неконтролируемое выделение большого количества тепла. Известен способ получения углеродного волокнистого материала термообработкой исходного волокнистого материала из ПАН волокон при температуре 200-350°C в активной газовой среде, в которой происходит усадка материала, а затем материал карбонизуют в неактивной атмосфере при температуре 4001400°C [2]. Недостатком этого способа является необходимость использования исходного волокнистого материала с поверхностной плотностью до 270 г/м из волокон на основе специально синтезированного сополимера акрилонитрила. Известен способ получения углеродного волокнистого материала термической обработкой иглопробивного нетканого материала с поверхностной плотностью 100-2000 г/м из полиакрилонитрильного или целлюлозного волокна в воздушной среде при температуре 130-250°C в течение 5-8 часов с последующей карбонизацией в инертной среде при температуре до 1000°C со скоростью повышения температуры 120-160°C/час[3]. Однако, углеродный волокнистый материал, получаемый по такому способу, характеризуется небольшой толщиной (порядка 2,5 - 3 мм) при поверхностной плотности 250-260 г/м и удельной плотности порядка 100 кг/м 3, обладает повышенной пористостью, а следовательно, недостаточными эксплуатационными и теплоизоляционными свойствами, что значительно сужает области и возможности его применения. Невысокие эксплуатационные свойства (монтажная прочность, гибкость) такого углеродного волокнистого материала обусловлены спецификой иглопробивного метода получения исходного волокнистого материала, не обеспечивающего достаточно прочного соединения волокон, а низкие теплофизические свойства предопределены преимущественно одинаковой ориентацией волокон в холсте иглопробивного материала, его малой поверхностной плотностью и повышенной пористостью. Свойства иглопробивного материала практически однородны по всей толщине. Поэтому для такого углеродного волокнистого материала улучшение теплофизических свойств возможно только существенным увеличением толщины и поверхностной плотности исходного иглопробивного материала, что проблематично для данного способа получения волокнистого материала. Но при этом следует учитывать. что увеличение толщины иглопробивного холста вызывает увеличение жесткости и снижение гибкости углеродного волокнистого материала, утяжеляет его, что ограничивает его применение. Наиболее близким изобретению является способ получения углеродного волокнистого материала, включающий термообработку ворсованной ткани из вискозных волокон. Ворс получают начесом ткани прямым пропусканием электрического тока. Длина ворса колеблется от 0,5 до 5 мм [4]. Однако, известный тканый углеродный материал обладает недостаточной растяжимостью, определяющей монтажные функции материала (заполнение и облегание различных конструкций сложных конфигураций). Высота ворса не обеспечивает также достаточных теплофизических свойств. Задачей настоящего изобретения является разработка способа в котором применение исходного материала с трикотажным переплетением обеспечивает получение материала с эластичной основой и высоким ворсом, что улучшит его эксплуатационные свойства. Поставленная задача решается тем, что в способе получения углеродного волокнистого материала, заключающемся в термической обработке в воздушной среде и последующей карбонизации в инертной среде исходного волокнистого материала из карбонизирующи хся волокон, согласно изобретению, в качестве исходного материала используют искусственный трикотажный мех, ворс которого выполняют из полиакрилонитрильных волокон, а основу из полиакрилонитрильных нитей или пряжи, или углеродных нитей. Так как основой исходного волокнистого материала является трикотажное переплетение (кулирная гладь), то полученный углеродный волокнистый материал обладает растяжимостью, которой нет при получении материала как тканой, так и нетканой структуры. Наличие растяжимости позволяет получать УВМ с различными функциональными возможностями. Трикотажная основа определяет монтажные функции. При этом представляется возможным создавать хорошо облегаемые и заполняемые покрытия различных конструкций, в том числе сложных конфигураций. Величину растяжимости можно регулировать. В свою очередь, ворсовая поверхность определяет теплофизические функции, зависящие от высоты и массы ворса. Такое сочетание указанных свойств в УВМ принципиально новой структуры определяет область его применения. Полученный по заявляемому способу УВМ можно использовать для защиты различных объектов в усло виях вакуума или инертной атмосферы от различных излучении и электромагнитных волн. При этом основа и ворс придает защитные свойства изделию в условиях вакуума или инертной атмосфере от различных воздействий, а ворсовая поверхность придает необходимые теплозащитные свойства материалу и может служить в качестве поглотителя электромагнитных волн. Такое сочетание указанных функциональных свойств водном материале позволяет использовать данный материал в качестве теплозащитных покрытий в химической, авиационной и др. промышленности. Углеродная нить, используемая для основы материала, получена из гидратцеллюлозы, содержание углерода составляет 93-95%. Прочностные показатели при термообработках практически не изменяются. Преимущества углеродной нити, находящейся в основе материала, проявляются при осуществлении таких технологических операций, как термоокисление и карбонизация: термостойкость углеродных нитей в окислительной среде до 450°C и в инертной среде до 3000°C позволяет резко интенсифицировать процесс получения УВМ, а практическое отсутствие усадки основы при термообработках такого материала позволяет получить материал с заданной поверхностной плотностью. По сравнению с ПАН-нитями углеродные нити не дешевле, неуказанные выше преимущества позволяют предлагать их к использованию альтернативно к ПАН-нитям. Заявляемый способ реализован следующим образом. Ворсовой материал - искусственный трикотажный мех изготавливают на кругловязальных машинах типа НР-8, 10 класса фирмы "Вилдман Жаккард" (США) при частоте вращения игольного цилиндра 25 мин. Для вязания грунта меха используют пряжу линейной плотности 28 тексх2 из полиакри-лонитрильных волокон, а для образования ворсовой поверхности - чесальную ленту линейной плотности 18+1 текс из полиакрилонитрильных волокон линейных плотностей 0,37-1,7 текс. Чесальную ленту вырабатывают с применением разрыхлительно-смешивающего оборудования фирмы "Темафа" (ФРГ) и чесальной машины типа 2421-007 "Крупп Шпинбау". В качестве эмульгатора волокон применяют 0,5%-ный раствор препарата ОС20, марки Б. Кроме того, для вязания грунта используют углеродную нить с линейной плотностью 17,1 текс. Получен ворсовой материал - искусственный трикотажный мех с различной поверхностной плотностью в диапазоне 600-1000 г/м 2. Образцы искусственного трикотажного меха подвергают предварительному окислению путем термической обработки в среде воздуха до температуры 200-220°C в течение 6-8 часов с последующим выдерживанием при этой температуре в течение 8-20 часов. Затем предварительно окисленные подвергают карбонизации при нагревании до температуры 1000°C в инертной среде в течение 3-5 часов. В результате карбонизации предварительно окисленных образцов потеря массы составила 30-45%, усадка при карбонизации-25-40%. Примеры конкретного выполнения приведены в таблице 1, Как видно из таблицы 1, проведение процесса термической обработки в среде воздуха (термоокисление) в режимах ниже указанных пределов (см. пример 1, 2, 9) приводит к тому, что при карбонизации происходит либо разрушение волокнистой структуры материала (пример 1), либо растрескивание основы (пример 2,9). Дальнейшее увеличение длительности процесса термоокисления нецелесообразно, т.к. процесс можно считать завершенным, о чем свидетельствует незначительное изменение потери массы и усадки предварительно окисленных образцов при карбонизации. Проведение процесса термоокисления в режимах, приведенных в примерах 4-8, являются оптимальными, т.к. обеспечивают меньшую потерю массы и усадку при карбонизации. Использование углеродных нитей для вязания грунта искусственного меха приводит к уменьшению усадки при карбонизации до 5% (см. пример 10). Проведение процесса термоокисления в мягких режимах при температуре 200-220°C при медленном нагреве и длительном выдерживании при этой температуре обеспечивает сохранение текстильной формы и волокнистой структуры материала при карбонизации. Полученный углеродный материал представляет собой материал меховой структуры, черного цвета, мягкий, легкий, гибкий, обладает достаточной прочностью при толщине порядка 10 мм, положительно отличается неоднородностью свойств по толщине за счет наличия основы и ворсового покрова. При этом основа обеспечивает УВМ необходимые эксплуатационные свойства (монтажная прочность, небольшая жесткость), а ворсовая поверхность - теплофизические. Такое разделение функциональных свойств УВМ позволяет существенно расширить диапазон его свойств. Показатели свойств углеродного волокнистого материала приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, полученный углеродный волокнистый материал имеет поверхностную плотность в пределах 700-1000 г/м 2, удельную плотность - 70-90 кг/м 3, толщину - 9-11 мм, жесткость при изгибе (в продольном направлении) по ГОСТ 10550-75 6 х 10 4 - 9 х 104 мкНхсм 2, коэффициент теплопроводности - 0,080,10 Вт/мхград. При испытании на разрыв полоски УВМ шириной 10 мм прочность составляет 500-550 г/на полоску. В отличие от прототипа, полученный УВМ характеризуется большей толщиной при низкой удельной плотности. Это делает УВМ более технологичным при использовании его в качестве теплозащитного материала. Низкая удельная плотность, невысокий коэффициент теплопроводности, небольшая жесткость на изгиб при достаточно большой толщине обеспечивает материалу необходимые эксплуатационные и теплофизические свойства. Рентгенофазовый анализ полученных образцов УВМ показал, что все они представляют собой углерод турбостратной структуры.