Для получения проволоки на основе полиакрилонитрила (ПАН) необходимо предварительно окислить, подвергнуть низкотемпературной и высокотемпературной карбонизации.углеродные волокнаа затем графитизируют для получения графитовых волокон. Температура достигает от 200℃ до 2000-3000℃, что приводит к различным реакциям и образованию различных структур, которые, в свою очередь, обладают различными свойствами.
1. Стадия пиролиза:Предварительное окисление в низкотемпературной части, низкотемпературная карбонизация в высокотемпературной части
Предварительное окисление и арилирование происходит в течение примерно 100 минут при температуре 200-300 ℃. Цель состоит в преобразовании термопластичной линейной макромолекулярной цепи ПАН в непластичную термостойкую трапециевидную структуру. Основная реакция заключается в циклизации макромолекулярной цепи и межмолекулярном сшивании, сопровождающемся реакцией пиролиза и высвобождением множества малых молекул. Показатель арилирования обычно составляет 40-60%.
Температура низкотемпературной карбонизацииТемпература обычно составляет 300-800 ℃, происходит в основном реакция термического крекинга, чаще всего используется высокотемпературный электрический нагревательный элемент, на этом этапе образуется большое количество отходящих газов и смол.
Характеристики: Цвет предварительно окисленного волокна темнеет, обычно становится черным, но при этом сохраняется морфология волокна; внутренняя структура претерпевает определенную степень химических изменений, образуется ряд кислородсодержащих функциональных групп и сшитых структур, закладывающих основу для последующей карбонизации.
2. (Высокотемпературная) стадия карбонизацииПредварительное окисление прекурсора в инертной атмосфере при высокой температуре приводит к его разложению, в результате которого удаляются не только гетероатомы углерода (такие как кислород, водород, азот и т. д.), но и происходит постепенная карбонизация, образование аморфного или микрокристаллического углерода. Этот процесс является ключевым этапом в формировании углеродного каркаса. Температура обычно составляет от 1000 до 1800 ℃, в основном происходит реакция термической конденсации, для нагрева чаще всего используются графитовые нагреватели.
Характеристики: Основным компонентом карбонизированного материала является углерод, структура преимущественно аморфная или хаотическая графитовая, его электропроводность и механические свойства значительно улучшены по сравнению с продуктом до окисления.
3. ГрафитизацияЭто дополнительная термическая обработка продуктов карбонизации при более высоких температурах, направленная на преобразование структуры аморфного или микрокристаллического углерода в более упорядоченную кристаллическую структуру графита. Под действием высокой температуры атомы углерода перестраиваются, образуя гексагональную решетчатую слоистую структуру с высокой степенью ориентации, что значительно улучшает электрическую и тепловую проводимость, а также механическую прочность материала.
Характеристики: Графитизированный продукт обладает высококристаллической структурой графита, что обеспечивает превосходную электро- и теплопроводность, а также высокую удельную прочность и удельный модуль упругости. Например, высокомодульный материал.углеродные волокнаполучаются за счет высокой степени графитизации.
Конкретные этапы и требования к оборудованию для предварительного окисления, карбонизации и графитизации:
Предварительное окисление: проводится на воздухе при контролируемой температуре 200-300°C. Для уменьшения усадки волокон необходимо приложить натяжение.
Карбонизация: проводится в инертной атмосфере с постепенным повышением температуры до 1000-2000 °C.
Графитизация: проводится при более высоких температурах (2000-3000 °C), обычно в вакууме или в инертной атмосфере.
Дата публикации: 22 мая 2025 г.
