Модификация ускоренной термостабилизации полиакрилонитрильных волокон созданием градиента концентрации кислорода при получении углеродного волокна

Цели. Модифицировать технологию ускоренной термостабилизации полиакрилонитрильного (ПАН) волокна при производстве высокопрочных углеродных волокон, при помощи которой удастся уменьшить образование гетерофазной структуры «ядро–оболочка» путем создания градиента концентрации кислорода в печах термообработки при сохранении общего времени термостабилизации ПАН (30 мин); оптимизировать процесс на основании предлагаемого режима с целью получения более мягких условий термостабилизации: снижения конечной температуры термообработки и разницы температур между зонами термостабилизации при сохранении целевого параметра объемной плотности (относительно ранее разработанной технологии ускоренной термостабилизации).

Методы. Термостабилизация промышленно выпускаемого прекурсора марки 12S в различных условиях на опытной линии получения углеродных волокон, последующее измерение объемной плотности, анализ тепловых эффектов реакции окисления методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и изучение микрофотографий шлифов получаемых образцов.

Результаты. Определен оптимальный процесс термостабилизации ПАН волокна в 4 зонах стабилизации с использованием подобранных составов, при котором существенно снижается образование структуры «ядро–оболочка» при достижении целевой объемной плотности и теплового эффекта реакции окисления ДСК стабилизируемого полимерного волокна за установленное время (30 мин).

Выводы. Полученный технологический режим является перспективным для получения высокопрочных (4.5 ГПа, 4.9 ГПа) ПАН волокон со сниженной себестоимостью. При сохранении общего времени термостабилизации ПАН на уровне 30 мин, что в 3 раза меньше используемых промышленных процессов, удалось снизить образование гетерофазной структуры, уменьшить конечную температуру обработки и снизить перепад температур между зонами стабилизации, что должно положительно сказаться на стабильности и безопасности ведения промышленного процесса и качестве получаемой продукции.

1. Трофименко Е.А., Бухаркина Т.В., Вержичинская С.В. Гаврилов Ю.В. Кинетическая модель термостабилизации полиакрилонитрильных волокон в атмосфере азота. Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021;396(6):129–135. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_6_129

2. Трофименко Е.А., Бухаркина Т.В., Вержичинская С.В., Козловский И.А. Ускоренная стабилизация полиакрилонитрильного волокна для получения высокопрочных углеродных волокон.Известия высших учебных заведений.Технология текстильной промышленности. 2022;399(3):172–178. URL: https://ttp.ivgpu.com/wp-content/uploads/2022/08/399_28.pdf. Дата обращения 01.10.2022.

3. Трофименко Е.А., Бухаркина Т.В., Вержичинская С.В., Староверов Д.В. Влияние продолжительности карбонизации при ускоренной термостабилизации полиакрилонитрильных волокон на свойства углеродных нитей. Химическая промышленность сегодня. 2022;(2):16–19. https://doi.org/10.53884/27132854_2022_2_16

4. Minus M.L., Kumar S. The processing, properties, and structure of carbon fibers. JOM. 2005;57(2):52–58. https://doi.org/10.1007/s11837-005-0217-8

5. Warner S.B, Peebles L.H., Uhlmann D.R. Oxidative stabilization of acrylic fibers. 1. Oxygen-uptake and general-model. J. Mater. Sci. 1979;14(3):556–564. https://doi.org/10.1007/BF00772714

6. Rahaman M.S.A., Ismail A.F., Mustafa A. A review of heat treatment on polyacrylonitrile fiber. Polym. Degrad. Stab. 2007;92(8):1421–1432. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.03.023

7. Jie L., Yueyi Z., Lianfeng, Zhaokun M., Jieying L. Method for preparing high-strength carbon fiber: Pat. CN102154740A China. Publ. 13.05.2011.

8. Cook J.D., Taylor T., Deshpande G.V., Tang L., Meece B.D., Crawford S., Chiu S.C., Harmon B.D., Thomas A. Manufacture of intermediate modulus carbon fiber: Pat. WO2016144488A1. Publ. 15.09.2016.

9. Qin X., Lu Y., Xiao H., Song Y. Improving stabilization degree of stabilized fibers by pretreating polyacrylonitrile precursor fibers in nitrogen. Materials Letters. 2012;76:162–164. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.02.103

10. Atkiss S.P., Maghe M.R. Precursor stabilisation process: Pat. AU2022287549A1 Australia. Publ. 12.12.2022.

11. Keller A., Fauth G., Ziegler U. Method and device for stabilizing precursor fibers for the production of carbon fibers: Pat. US11486059B2 USA. Publ. 01.11.2020.

12. Lv M-y., Ge H-y., Chen J. Study on the chemical structure and skin-core structure of polyacrulonitrile-based fibers during stabilization. J. Polym. Res. 2009;16(5):513–517. https://doi.org/10.1007/s10965-008-9254-7