главная > справочник > химическая энциклопедия:

Углеродные волокна

Карбонизацию и графитизацию всех видов волокон проводят в инертной среде под натяжением. Производя вытягивание, особенно на стадии графитизации, можно существенно повысить мех. свойства (прочность, модуль упругости) углеродных волокон. В некоторых случаях, напр, для получения волокон с заданными физ.-хим. свойствами, стадия графитизации исключается.

Вследствие высокой хрупкости готовые углеродные волокна перерабатываются с большим трудом. Поэтому текстильные материалы и изделия (ленты, шнуры, трикотаж, ткани, нетканые материалы и др.) сначала изготовляют из исходных волокон или нитей, а затем подвергают термообработке.

Хим. состав углеродных волокон зависит от условий их получения. С повышением температуры термич. обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. Мол. структура углеродных волокон включает в осн. ароматич. конденсированные карбо- и гетерополицик-лич. фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями . В углеродных волокнах содержатся гетер.атомы N, О, Si, а на пов-сти имеются разл. функц. группы -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

T. наз. надмолекулярная структура углеродных волокон включает фибрил-лярные образования с чередованием аморфных и кристаллич. областей. Последние состоят из ленточных или плоскостных участков графитоподобной структуры. С увеличением температуры и натяжения при высокотемпературной обработке степень ориентации и кристалличность углеродных волокон возрастают.

Углеродные волокна характеризуются высокой пористостью. площадь внутр. пов-сти достигает 50-400 м²/г. Форма поперечного сечения углеродных волокон такая же, как у исходных волокон, а его площадь при пиролизе и карбонизации существенно уменьшается и составляет обычно ок. 16-100 мкм². Поперечное сечение углеродных волокон на основе пеков при обработке меняется мало и достигает 900 мкм².

Все углеродные волокна можно подразделить на три вида: частично карбонизованные, угольные (карбонизованные) и графитированные, макс, температура термообработки которых соотв. ниже 500, 500-1500 и выше 1500 ⁰C, а содержание углерода соотв. меньше 90, 91-99 и выше 99% по массе. Иногда также выделяют неск. типов углеродных волокон в зависимости от их свойств (см. табл.).

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ УВ

В лаб. условиях получены углеродные волокна со значениями модуля упругости и прочности соотв. 600-700 и 6-8 ГПа.

Углеродные волокна являются полупроводниками. их электрич. проводимость обусловлена подвижностью p-электронов в системе сопряжения. В зависимости от условий получения уд. электрич. сопротивление углеродных волокон может варьировать от 10⁵ до 10^-30 Ом•м, а при использовании легирующих добавок (бор, щелочные металлы) - от 10⁵ до 10^-5 Ом•м.

Углеродные волокна мало гигроскопичны, но благодаря развитой поверхности они сорбируют водяные пары (до влажности порядка 0,2-2%), не меняя при этом своих физ.-мех. свойств.

Углеродные волокна обладают высокой атмосферостойкостью. устойчивостью к действию света и проникающей радиации, хим. стойкостью к MH. реагентам (конц. кислоты и щелочи. практически все растворители). На них воздействуют лишь сильные окислители при нагревании. УВ биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. В инертной среде их можно эксплуатировать длит, время при 400-600 ⁰C; они выдерживают кратковременное воздействие температур от 800 до 2500 ⁰C. На воздухе температура эксплуатации не превышает 300-400 ⁰C. Кислородный индекс углеродных волокон в зависимости от условий получения составляет 35-60%.

Часто проводят физ. и хим. модификацию исходных волокон или углеродных волокон и углеволокнистых материалов. Для повышения термоокислит. устойчивости углеродных волокон и углеволокнистых материалов на их пов-сти образуют защитные слои или барьерные покрытия из карбидов кремния или тугоплавких металлов, нитрида бора. фосфатных стекол и др. B-B. Армирующие углеродные волокна и материалы на их• основе подвергают поверхностной обработке - окислению или металлизации - с целью повышения адгезии к полимерам или металлам соответственно. Варьируя условия высокотемпературной обработки, вводя легирующие добавки или образуя проводящие слои (из карбидов металлов, ионогенных групп и сорбированных на них ионов металлов), можно в широком диапазоне менять электрич. проводимость, термоэдс и др. электрофиз. свойства УВ и углеволокнистых материалов.

Высокотемпературной активацией в среде водяного пара или CO₂ при 600-1000 ⁰C получают углеродные волокнистые адсорбенты (УВА) с предельным объемом сорбирующего пространства 0,3-0,9 см³/г и активной пов-стью 500-2000 м²/г. Обработкой УВА окислителями (нитраты), конц. растворами кислот (HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄) и др. реагентами получают катионообменники со статич. обменной емкостью 4,5-5,5 мг•экв/г. Аминированием УВА (с предварит, хлорированием или без него) в парах аммиака или пиридина при нагр. получают анионообменники со статич. обменной емкостью 1,8-2,4 мг•экв/г. Ионообменники на основе углеродных волокон имеют высокую скорость ионного обмена и сохраняют обменные свойства в течение мн. циклов сорбции и регенерации.

Введением в исходные волокна или УВА солей разл. металлов (Pt, Ir, Pd, Cr, V, Ag, Mn, Cu, Со, Ni, Fe и др.) и восстановлением последних при термич. обработке получают металлсодержащие углеволокнистые материалы с высокой каталитич. активностью.

Углеродные волокна и углеволокнистые материалы выпускают в виде волокон, нитей, жгутов, лент, шнуров, тканей, нетканых материалов, бумаги и др. Они имеют разл. названия: в СНГ - ЛУ, УКН, кулон, урал, углен, грален, эвлон, конкор, актилен, ваулен, BMH; в США - торнел, целион, фортафил; в Великобритании - модмор, графил; в Японии - торейка, куреха-лон и т. д.

Углеродные волокна применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких и др. материалов в качестве наполнителей в разл. видах углепластиков. Из углеволокнистых материалов изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагн. излучение, и др. изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технол. установок и трубопроводов. Благодаря хим. инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок.

УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки атм. воздуха, а также технол. газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления ср-в индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и др. биол. жидкостей, в повязках при лечении ран и ожогов, как лек. ср-во (ваулен) при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать разл. яды), как носители лек. и биологически активных B-B. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорг. и орг. синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO₂, SO₂ до SO₃ и др.).

Пром. производство углеродных волокон и углеволокнистых материалов на основе вискозных волокон начато в 1958 в США, а на основе полиакрилонитрильных волокон - в 1961 в Японии. Там же в 1970 началось производство углеродных волокон на основе нефтяных пеков. Мировое производство УВ и углеволокнистых материалов в 1990 превышало 10 тыс. т.

Лит.: Текстильные материалы на основе углеродных волокон и методы определения их свойств, M., 1985; Левит P.M., Электропроводящие химические волокна, M., 1986; Углеродные волокна, под ред. С. Симамуры, пер. с япон., M., 1987; Углеродные волокна и углекомпозиты, под ред. Э. Фитцера, пер. с англ., M., 1988; Будницкий Г. А., "Химические волокна", 1990, № 2, с. 5-13. К. E. Перепелкин.