Способ получения углеродного волокнистого материала


 


Владельцы патента RU 2475571:

Клименко Александр Андреевич (RU)
Филиппова Любовь Ивановна (RU)
Морозов Сергей Михайлович (RU)

Изобретение относится к технологии получения углеродного волокнистого материала и может быть использовано в качестве материала для высокотемпературной изоляции, нагревателей, токопроводящих элементов, наполнителей пластмасс, армирующих элементов, изделий медицинского назначения, защитных, сорбционных и других материалов. Способ получения включает пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором, содержащим 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония, 2,5% хлорида натрия при 30°С в течение 30 минут с последующим отжимом. Затем с применением источника СВЧ сушат при 95±5°С и термообрабатывают в среде метана до 220°С. Частично карбонизованный материал нагревают в среде азота до 2400°С. Используют источник энергии сверхвысоких частот с выходной мощностью от 1 до 50 КВт и с рабочей частотой 100-300 МГц. Изобретение повышает эффективность способа получения углеродного волокна с повышенным уровнем прочности. 2 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения углеродного волокнистого материала, используемого в качестве материала для высокотемпературной изоляции, нагревателей, токопроводящих элементов, наполнителей пластмасс, армирующих элементов, изделий медицинского назначения, защитных, сорбционных и других материалов.

Известен способ получения углеродного волокнистого материала пропиткой исходного целлюлозного волокна водным раствором катализатора на основе смеси гидроортофосфата и хлорида аммония до содержания его на волокне 15-30 мас.%, сушкой и термообработкой (см., например, описание изобретения к патенту США №3235323, НКИ 8 - 116.2, опубл. 1966).

Недостатком этого способа является неравномерность температурного воздействия на волокно в различных точках обрабатываемого материала и возникновение вследствие этого локального перегрева, что приводит к снижению уровня прочности углеродного волокнистого материала и увеличению нестабильности ряда показателей.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ получения углеродного волокнистого материала, включающий пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию (см, например, описание изобретения к патенту РФ №2016146, D01F 9/16, опубл. 15.07.1994).

Недостатком этого способа является неравномерность создаваемого теплового поля в обрабатываемой камере и вследствие этого неравномерность нагрева волокна, а также трудности, связанные с точной установкой требуемой температуры из-за инерционности нагревательных элементов.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата.

Технический результат от использования предложенного изобретения - повышение эффективности способа за счет расширения функциональных возможностей без применения дополнительного оборудования, т.е. с использованием одного источника СВЧ с регулируемой мощностью 1-50 кВт, а также повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного волокнистого материала, включающем пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию, целлюлозное волокно пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают и высушивают при температуре 95±5°С, а сушку и термообработку высушенного целлюлозного волокна проводят в среде метана до температуры 220°С с последующим нагревом частично карбонизованного материала в среде азота до температуры 2400°С.

Предложенный способ отвечает условиям патентоспособности "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", поскольку он может быть реализован существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Заявляемый способ заключается в следующем. Исходное целлюлозное волокно пропитывают водным раствором соли сильной кислоты и азотсодержащего основания (фосфата, хлорида аммония и др.) или водными растворами, содержащими смеси этих веществ до содержания на волокне до 30%. Пропитанный материал карбонизируют до температуры 240-500°С и подвергают температурной обработке. Указанная задача решается таким образом, что сушку и термообработку производят в присутствии введенного катализатора с применением генератора сверхвысоких частот (СВЧ), а рабочая камера с волокном являются нагрузкой для источника энергии СВЧ.

В качестве источников СВЧ энергии используются СВЧ генераторы мощностью 1-5 КВт с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью 1-50 КВт с рабочей частотой 915 МГц. Выбор типа генератора и его мощность определяют размерами рабочей камеры и количеством помещаемого материала в камеру.

Обеспечение равномерного СВЧ нагрева и установления требуемой температуры нагрева обеспечивают преимуществами, которые СВЧ нагрев имеет по сравнению с традиционными источниками:

- тепловая безинерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал, что приводит к высокой точности регулировки процесса нагрева и его воспроизводимости;

- возможность равномерного нагрева при соответствующем подводе энергии в камеру, т.к. нагрев полем СВЧ происходит одновременно во всех точках обрабатываемого материала, чего невозможно достичь традиционными методами;

- высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую (теоретически близок к 100%) при соответствующей конструкции камеры;

- возможность избирательного нагрева отдельных составляющих многокомпонентных смесей (нагревают составляющие, имеющие высокое значение tg д);

- возможность саморегулирующего нагрева при сушке материалов, у которых tg д пропорционален влажности: высушенные области перестают нагреваться, а там, где сохранилась повышенная влажность, нагрев продолжают.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Целлюлозное волокно круглого сечения, полученное по кордному способу с применением модификатора и ориентационной вытяжки прочностью 36-38 гс/текс, линейной плотности 192 текс, подвергают текстильной переработке в ткань 2/2 саржевого переплетения и используют в качестве исходного образца для получения волокнистого материала. Образец вискозной ткани пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают на плюсовке и высушивают традиционном способом при температуре 95±5°С. Высушенную ткань подвергают термической обработке до температуры 220°С в среде метана, используя СВЧ-генератор мощностью 1 КВт с рабочей частотой 2450 МГц, после чего полученный частично карбонизованный материал нагревают до температуры 2400°С в среде азота. Получают мягкую графитированную ткань.

Проведенные исследования показали, что при получении заявленного углеродного волокнистого материала предел прочности при разрыве на 5 см ширины ткани составил не менее 60 кгс по основе и не менее 25 кгс по утку, что примерно на 12% выше аналогичных показателей материала, полученного по традиционной технологии.

Пример 2. Целлюлозное волокно перерабатывают по примеру 1, изменяя только мощность генератора на стадии карбонизации: 1500 Вт; 2000 Вт; 2500 Вт; 3000 Вт; 3500 Вт; 4000 Вт; 4500 Вт; 5000 Вт.

Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.

Способ получения углеродного волокнистого материала, включающий пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию, отличающийся тем, что целлюлозное волокно пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 мин, отжимают и высушивают при температуре 95±5°С, а термообработку высушенного целлюлозного волокна проводят в среде метана до температуры 220°С с последующим нагревом частично карбонизованного материала в среде азота до температуры 2400°С.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению углеродных волокон. .
Изобретение относится к технологии получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна и может быть использовано в качестве наполнителей композиционных материалов конструкционного, теплозащитного, антиэлектростатического назначения, а также при производстве углеродных волокнистых адсорбентов, носителей катализаторов, материалов для защиты от электромагнитного излучения, наноструктурированных композитов, фуллеренов, нанотрубок и т.д.
Изобретение относится к технологии получения углеродных волокон из исходных целлюлозных волокон, используемых в качестве армирующих наполнителей композиционных материалов.
Изобретение относится к области получения высокопрочных углеродных волокон, преимущественно изготавливаемых из органического исходного материала (предшественника), в частности к способу стабилизации углеродсодержащего волокна и способу получения углеродного волокна.

Изобретение относится к технологии получения углеродных волокнистых материалов, в частности углеродных волокнистых структур из целлюлозного предшественника. .
Изобретение относится к технологии получения углеродных волокон из исходных целлюлозных волокнистых материалов и может использоваться в качестве армирующих наполнителей композиционных материалов.
Изобретение относится к технологии волокнистых материалов из углерода посредством непрерывной или прерывистой карбонизации целлюлозных волокнистых материалов в присутствии по меньшей мере одного кремнийорганического соединения.

Изобретение относится к технологии получения тканей из углеродных волокон и может быть использовано для формирования покрытий тепловой защиты. .

Изобретение относится к области получения на основе целлюлозных материалов углеродных волокнистых материалов (УВМ), используемых в качестве токопроводящих элементов, а также при получении композиционных материалов и сорбентов, например для изготовления дисперснонаполненных композиционных материалов и сорбентов бытового и медицинского назначения.
Изобретение относится к технологии получения формованных изделий из целлюлозы с функциональным действием, в частности, волокон или пленок и может быть использовано в медицине для гигиенических целей и одежды.

Изобретение относится к производству целлюлозных волокон и может быть использовано в строительстве при производстве фибролитовых плит, панелей и т.д. .

Изобретение относится к технологии получения целлюлозных волокон с пониженной склонностью к фибриллированию. .

Изобретение относится к технологии получения искусственных волокон, в частности к обработке целлюлозного волокна для снижения его тенденции к фибриллированию. .

Изобретение относится к получению карбоксиметилцеллюлозных волокон, которые предназначены для изготовления влагопоглощающих изделий. .

Изобретение относится к способам крашения и особенно к способу окрашивания целлюлозных регенерированных удлиненных элементов, в частности целлюлозных волокон. .

Изобретение относится к технологии производства вискозных волокон и может быть использовано для получения штапельных волокон. .

Изобретение относится к способу модификации свойств волокон на основе карбамата целлюлозы. .

Изобретение относится к способу получения целлюлозного волокна, обладающего огни и/или биостойкими свойствами
Наверх