Способ окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными наночастицами


 


Владельцы патента RU 2535797:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" (RU)

Изобретение относится к области химии и касается способа окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила (ПАН), наполненных углеродными наночастицами. Сформированные волокна подвергают термообработке в воздушной среде при нагреве. Волокна с введенными углеродными наночастицами, в качестве которых используют технический углерод в количестве 0,2 - 10%, с поверхностью, содержащей кислород в количестве не менее 4,8 атомных %, подвергают окислительной стабилизации при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту в течение 90-110 минут. Изобретение обеспечивает полное проведение процесса окислительной стабилизации волокон из ПАН, наполненных техническим углеродом (углеродными наночастицами), а также упрощение технологии за счет уменьшения времени проведения процесса, при одновременном снижении теплопроводности волокон, достигнутом за счет введения в волокна технического углерода, что необходимо для дальнейшего получения углеродного материала, используемого в качестве теплоизоляции печей инертной среды. 1 табл., 5 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области химии, а именно к способам окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, в том числе для использования как полупродукта для последующего получения углеродных волокнистых материалов для применения в качестве теплоизоляции печей инертной среды.

Из уровня техники известен способ получения огнестойкого полиакрилонитрильного волокна для изготовления текстильных материалов, стадия окислительной стабилизации которого проходит по четырехступенчатому режиму в диапазонах 150-190°С, 200-215°С, 220-240°С, 250-280°С в течение 90-120 минут.

Недостатком данного способа является сложная технология, включающая 4 ступени процесса, а также высокая конечная температура окислительной стабилизации - 280°С [Патент РФ 2258104 C1, D01F 6/18, 11/16, C09K 21/14. Способ получения огнестойкого полиакрилонитрильного волокна для изготовления текстильных материалов, 10.08. 2005].

Наиболее близким к заявленному является способ окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными нанотрубками (углеродными наночастицами), при котором окислительную стабилизацию волокон, содержащих 5 и 10 масс.% углеродных нанотрубок (углеродных наночастиц), проводят в воздушной среде при постоянной температуре 250°С в течение 10 часов [Min Byung G. Oxidative stabilization of PAN/SWNT composite fiber / Byung G. Min, T.V. Sreekumar, Tetsuya Uchida [et al.] // Carbon. - 2005. - 43. - P.599-604].

Недостатком данного способа является большое общее время процесса окислительной стабилизации - 10 часов.

Предназначение прототипа заключается в использовании волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными нанотрубками (углеродными наночастицами), после проведения окислительной стабилизации, для получения углеродных волокон с высокой прочностью.

Техническим результатом заявленного изобретения является полное проведение процесса окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных техническим углеродом (углеродными наночастицами), а также устранение указанных недостатков, а именно упрощение технологии за счет уменьшения времени проведения процесса, обусловленное совместным участием в процессе окислительной стабилизации кислорода воздуха, а также кислорода, находящегося на поверхности технического углерода, введенного в волокна из полиакрилонитрила, при одновременном снижении теплопроводности волокон, достигнутом за счет введения в волокна технического углерода, что необходимо для дальнейшего получения углеродного материала, используемого в качестве теплоизоляции печей инертной среды.

Поставленная задача достигается тем, что в способе окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными наночастицами, сформированные волокна с введенными углеродными наночастицами, в качестве которых используют технический углерод в количестве 0,2-10%, с поверхностью, содержащей кислород в количестве не менее 4,8 атомных %, для проведения окислительной стабилизации подвергают термообработке в воздушной среде при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту в течение 90-110 минут.

Существенным отличием является проведение окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных техническим углеродом, при этом содержание технического углерода в волокнах, не прошедших окислительную стабилизацию, составляет 0,2-10%, а поверхность технического углерода содержит кислород в количестве не менее 4,8 атомных %, путем термообработки в воздушной среде, при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту в течение 90-110 минут.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

В прядильный раствор полиакрилонитрила вводят технический углерод. Процесс введения наночастиц в прядильный раствор широко описан в литературе, в том числе см. прототип, где осуществляется введение углеродных нанотрубок в прядильный раствор.

Из прядильного раствора формуют волокно из полиакрилонитрила с линейной плотностью 0,2-2,1 текс, наполненное техническим углеродом, при этом содержание технического углерода составляет 0,2-10%. Используют технический углерод, содержащий на своей поверхности не менее 4,8 атомных % кислорода, что определяют по данным рентгенофотоэлектронной спектроскопии, анализируя фотоэлектронную линию кислорода на спектрах высокого разрешения. Технический углерод имеет аморфную структуру с размером частиц по данным сканирующей электронной микроскопии 20-80 нм, то есть лежащим в нанодиапазоне. Частицы образуют агломераты размером 100-200 нм. Такая структура обладает меньшей теплопроводностью по сравнению с такими углеродными материалами, используемыми для теплоизоляции печей, как углеродные волокна, графит, имеющими кристаллическую графитоподобную структуру.

Затем волокно из полиакрилонитрила, наполненное техническим углеродом, подвергают окислительной стабилизации. Волокно заправляют в нагретую до 180°С трубчатую печь. Процесс проводят в одну стадию при нагреве волокна от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту в течение 90-110 минут.

Для оценки полноты прохождения процесса окислительной стабилизации используют известный метод [Sudhakar Jagannathan, Han Gi Chae, Rahul Jain, Satish Kumar. Structure and electrochemical properties of activated polyacrylonitrile based carbon containing carbon nanotubes. Journal of Power Sources 2008; 185:676-84], основанный на экстракции полиакрилонитрила, не прошедшего окислительную стабилизацию, в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Метод экстракции полиакрилонитрила, не прошедшего окислительную стабилизацию, в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов показывает полное прохождение процесса окислительной стабилизации.

Таблица 1
Экспериментальные результаты
№ п/п Содержание наночастиц % Содержание кислорода на поверхности наночастиц, ат.% Прекурсор для получения углеродных волокон Температура, °С Скорость подъема температуры, °С в минуту Время проведения окислительной стабилизации, мин Потеря массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов, %
начальная максимальная
1 0,2 4,8 Полиакрилонитрил 180 230 0,5 110 0
2 5 4,8 Полиакрилонитрил 180 230 0,5 110 0
3 10 4,8 Полиакрилонитрил 180 230 0,5 110 0
4 5 5 Полиакрилонитрил 180 230 0,5 100 0
5 10 5,2 Полиакрилонитрил 180 230 0,5 90 0
Прототип 5 Данные не приведены Полиакрилонитрил 250 250 - 600 Данные не приведены
Прототип 10 Данные не приведены Полиакрилонитрил 250 250 - 600 Данные не приведены

Пример 1.

Как видно из данных таблицы 1, при проведении окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, содержащих 0,2% технического углерода, на поверхности которого содержится 4,8 атомных % кислорода, в одну стадию при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту, в течение 110 минут, происходит полное прохождение процесса окислительной стабилизации, что характеризуется отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Пример 2.

Как видно из данных таблицы 1, при проведении окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, содержащих 5% технического углерода, на поверхности которого содержится 4,8 атомных % кислорода, в одну стадию при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту, в течение 110 минут, происходит полное прохождение процесса окислительной стабилизации, что характеризуется отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Пример 3.

Как видно из данных таблицы 1, при проведении окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, содержащих 10% технического углерода, на поверхности которого содержится 4,8 атомных % кислорода, в одну стадию при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту, в течение 110 минут, происходит полное прохождение процесса окислительной стабилизации, что характеризуется отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Пример 4.

Как видно из данных таблицы 1, при проведении окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, содержащих 5% технического углерода, на поверхности которого содержится 5 атомных % кислорода, в одну стадию при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту, в течение 100 минут, происходит полное прохождение процесса окислительной стабилизации, что характеризуется отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Пример 5.

Как видно из данных таблицы 1, при проведении окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, содержащих 10% технического углерода, на поверхности которого содержится 5,2 атомных % кислорода, в одну стадию при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту, в течение 90 минут, происходит полное прохождение процесса окислительной стабилизации, что характеризуется отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Использование технического углерода, на поверхности которого содержится менее 4,8 атомных % кислорода, существенно увеличивает время полного прохождения окислительной стабилизации, так как снижается количество кислорода, дополнительно привносимого с поверхности технического углерода в реакционную зону.

Использование технического углерода, на поверхности которого содержится не менее 4,8 атомных % кислорода, уменьшает время полного прохождения окислительной стабилизации, так как в зону реакции привносится дополнительный кислород, содержащийся на их поверхности, который снижает роль диффузионного фактора и увеличивает скорость прохождения окислительной стабилизации.

Использование технического углерода, на поверхности которого содержится более 5,2 атомных % кислорода, нецелесообразно, так как дополнительно не уменьшает время полного прохождения окислительной стабилизации.

Уменьшение содержания технического углерода менее 0,2% приводит к увеличению времени полного прохождения окислительной стабилизации, так как снижается количество кислорода, дополнительно привносимого с поверхности технического углерода в реакционную зону.

Увеличение содержания технического углерода от 0,2 до 10% привносит в зону реакции дополнительный кислород, содержащийся на их поверхности, который снижает роль диффузионного фактора и увеличивает скорость прохождения окислительной стабилизации. Кроме того, теплопроводность технического углерода ниже теплопроводности углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, следовательно, теплоизоляционные свойства углеродного материала на основе таких волокон лучше, чем у углеродного материала на основе волокон из полиакрилонитрила, не содержащих технический углерод.

Увеличение содержания технического углерода более 10% нецелесообразно, так как не оказывает ускорения проведения окислительной стабилизации. Вместе с тем, высокое, более 10%, содержание технического углерода не позволяет получить из волокон углеродный материал с прочностными характеристиками, достаточными для использования такого материала в качестве теплоизоляции печей инертной среды.

Уменьшение начальной температуры окислительной стабилизации меньше 180°С не позволяет полностью провести процесс окислительной стабилизации за то же время. Это может быть определено по увеличению потери массы волокна после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Увеличение конечной температуры окислительной стабилизации выше 230°С при том же времени окислительной стабилизации не приводит к дополнительному улучшению прочностных показателей и нецелесообразно, так как температуры 230°С достаточно для полного прохождения окислительной стабилизации, что подтверждается отсутствием потери массы волокна после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Уменьшение времени проведения окислительной стабилизации меньше 90 минут при той же температуре не позволяет полностью провести процесс окислительной стабилизации. Это может быть определено по увеличению потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Увеличение времени проведения окислительной стабилизации больше 110 минут при той же температуре нецелесообразно, так как данного времени достаточно для полного прохождения окислительной стабилизации, что подтверждается отсутствием потери массы после экстракции в диметилформамиде при температуре 150°С в течение 6 часов.

Таким образом, был достигнут технический результат заявленного изобретения, заключающийся в полном проведении процесса окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных техническим углеродом (углеродными наночастицами), а также устранении указанных недостатков, а именно упрощении технологии за счет уменьшения времени проведения процесса, обусловленном совместным участием в процессе окислительной стабилизации кислорода воздуха, а также кислорода, находящегося на поверхности технического углерода, введенного в волокна из полиакрилонитрила, при одновременном снижении теплопроводности волокон, достигнутом за счет введения в волокна технического углерода, что необходимо для дальнейшего получения углеродного материала, используемого в качестве теплоизоляции печей инертной среды.

Из уровня техники известен аналог по назначению, представляющий собой волокнистый материал в виде углеродного войлока. Углеродный войлок получают из пековых волокон, он обладает теплоизоляционными свойствами, особенно в диапазоне высоких температур до 2800°С [European Patent 0473073 A1, D04H 1/42 Carbon fiber felting material and process for producing the same, 04.03.1992].

Недостатком данного аналога является использование углеродного волокнистого материала из пековых волокон, так как такие волокна обладают большей теплопроводностью, по сравнению с углеродными волокнами из полиакрилонитрила, равной 1 ккал/(м·ч·°С) при 2200°С, что соответствует ~ 1,16 Вт/(м·К).

Из уровня техники известен аналог по назначению, представляющий собой волокнистый материал в виде углеродного войлока. Углеродный войлок получают из гидратцеллюлозных волокон [Патент РФ 2100500 С1, D04H 3/10, D01F 9/16. Нетканый углеродный материал, 27.12.1997].

Углеродные волокна, полученные из гидратцеллюлозных волокон, широко применяются в качестве теплоизоляции печей. Вместе с тем, углеродные волокна из гидратцеллюлозы обладают худшими физико-механическими свойствами, чем углеродные волокна из полиакрилонитрила или пеков.

На основе волокна из полиакрилонитрила, наполненного техническим углеродом, прошедшего окислительную стабилизацию, готовят иглопробивным способом нетканый материал, затем его подвергают карбонизации и графитации, при этом температура карбонизации не менее 1000°С, а графитации - 2500°С. В результате получают углеродный нетканый материал с теплопроводностью при 2000°С 0,36-0,55 Вт/(м·К) и прочностью в продольном направлении не менее 200 Н/5 см, который используют в качестве теплоизоляции печей инертной среды.

Способ окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными наночастицами, в котором сформированные волокна подвергают термообработке в воздушной среде при нагреве, отличающийся тем, что волокна с введенными углеродными наночастицами, в качестве которых используют технический углерод в количестве 0,2-10%, с поверхностью, содержащей кислород в количестве не менее 4,8 атомных %, подвергают окислительной стабилизации при повышении температуры от 180 до 230°С со скоростью 0,5°С в минуту в течение 90-110 минут.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству высокопрочных углеродных жгутов, применяемых для производства высококачественных композитов и касается способа связывания волокнистого полиакрилонитрильного(ПАН) материала при проведении стадий получения из него углеродного волокна.

Изобретение относится к области химии и касается способа окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила(ПАН), наполненных углеродными нанотрубками. Сформированные волокна подвергают термообработке в воздушной среде при нагреве с сохранением постоянной длины.

Изобретение относится к технологии получения полиакрилонитрильных волокон, предназначенных для производства углеродных волокон, а также к производству углеродных волокон.

Изобретение относится к производству огнестойких синтетических волокон, в частности к волокнам на основе окисленного полиакрилонитрила. .

Изобретение относится к оборудованию для производства углеродных волокон, в частности к стадии низкотемпературной обработки, с использованием в качестве сырья полиакрилонитрильных ПАН волокон.
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 высокомодульных углеродных волокон из среднепрочных волокон на основе полиакрилонитрильных жгутиков и может быть использовано для производства высококачественных композитов.
Изобретение относится к технологии получения высокомодульных углеродных волокон из полиакрилонитрильных жгутов, применяемых для производства высококачественных композитов.
Изобретение относится к технологии получения высокопрочных, высокомодульных углеродных волокон. .

Изобретение относится к производству высокопрочных и высокомодульных углеродных лент, получаемых на основе полиакрилонитрильных (ПАН) нитей, и может быть применено для изготовления высокотехнологичных композитов.

Группа изобретений относится к производству фильтрующего материала с высокими адсорбирующими свойствами, а именно волокнистому фильтрующему материалу и способам его получения и применения, и может быть использовано для дезактивации вирусов при фильтрации воды через слой или слои этого материала.
Изобретение относится к технологии получения синтетических нитей с высокими хемостойкостью и гидрофобностью и низким коэффициентом трения. Способ заключается в формовании нитей из расплава полимера, нанесении авиважного препарата, ориентационном вытягивании и термофиксации.
Изобретение относится к технологии получения синтетических нитей с высокими хемостойкостью и гидрофобностью и низким коэффициентом трения и может быть использовано в химической промышленности.

Изобретение относится к проводящим материалам, рассеивающим статический заряд, и касается проводящего моноволокна и ткани. .

Изобретение относится к технологии получения новых волокнистых ионообменных материалов и может быть использовано в гидрометаллургии, для извлечения ионов металлов, очистки сточных и промышленных растворов от токсических ионов металлов.
Изобретение относится к технологии получения нитей, волокон, филаментов, в частности, к композиции, которая может быть нанесена на эти нити, волокна, филаменты. .

Изобретение относится к технологии получения полимерных материалов, в частности к получению микро- и нановолокон с повышенной прочностью и стойкостью, которые могут найти применение в различных областях техники, включая их использование в различных фильтрах.

Изобретение относится к технологии получения и модификации химических волокон и нитей, в частности поливинилиденфторидных (ПВДФ), и изделий из них и может быть использовано в химической промышленности при производстве фильтровальных материалов и в медицине, в качестве шовных хирургических нитей и имплантатов-эндопротезов с биологической активностью и тромборезистентностью.

Изобретение относится к технологии получения и модификации химических волокон и нитей, в частности поливинилиденфторидных (ПВДФ), и может быть использовано в химической промышленности: при производстве фильтрующих и футеровочных материалов, в медицине: в качестве шовных биосовместимых хирургических нитей с повышенной тромборезистентностью.

Изобретение относится к технологии получения термостойкой нити и может быть использовано в производстве специальных материалов для бронежилетов, емкостей для высоких давлений, самолетостроении.

Изобретение относится к области химии и касается способа окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила(ПАН), наполненных углеродными нанотрубками. Сформированные волокна подвергают термообработке в воздушной среде при нагреве с сохранением постоянной длины.
Наверх