Разработка процессов получения углеродных волокнистых материалов с использованием пиролитических добавок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Пискунова, Ирина Александровна

• Пискунова, Ирина Александровна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пискунова, Ирина Александровна

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Теоретические аспекты высокотемпературной обработки полимерных материалов

1.1.1 Термическое разложение полимеров и характеристики получаемых углеродных материалов

1.1.2 Влияние химической структуры полимера на выход углеродного материала

1.1.3 Термодинамические и кинетические особенности процессов высокотемпературной обработки полимерных материалов.

Способы получения углеродных материалов

1.1.4 Структурные изменения полимерных материалов в процессе высокотемпературной обработки. Переходные формы углерода и структурная модель углеродного волокнистого материала

1.1.5 Влияние надмолекулярной структуры полимерного волокнистого материала на образующиеся переходные формы углерода

1.2 Получение углеродных волокнистых материалов на основе различных прекурсоров

1.2.1 Подготовка к высокотемпературной обработке

1.2.2 Высокотемпературная обработка различных волокон - прекурсоров в защитной среде

1.2.3 Влияние пиролитических добавок на процессы высокотемпературной обработки целлюлозных волокнистых материалов, их выход и свойства

1.2.4 Среда высокотемпературной обработки

1.2.5 Вытягивание волокнистых материалов при высокотемпературной обработке

1.2.6 Температурно-временные режимы получения углеродных волокон 63 2 МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Объекты исследования

2.1.1 Материалы на основе гидратцеллюлозных волокон

2.1.2 Материалы на основе полиоксадиазольных волокон

2.1.3 Вещества, используемые в качестве пиролитических добавок

2.2 Методы исследований

2.2.1 Термогравиметрический анализ

2.2.2 Оценка физико-механических свойств

2.2.3 Термовалюметрический анализ

2.2.4 Определение приведенной зольности

2.2.5 Элементный анализ

2.2.6 Инфракрасная спектроскопия

2.2.7 Рентгеноструктурный анализ

2.2.8 Определение влажности материала

2.2.9 Электронно-микроскопические исследования

2.2.10 Оценка сорбционных характеристик по сорбции красителя метиленового голубого

2.2.11 Определение сорбционной активности по йоду

2.2.12 Определение предельного объема сорбционного пространства по парам бензола

2.2.13 Определение удельного объемного электрического сопротивления

3 ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРАТЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН

3.1 Изучение процессов получения углеродных волокнистых материалов с использованием различных пиролитических добавок

3.2 Изучение влияния предокисления исходных волокон на выход и свойства углеродных волокнистых материалов

3.3 Получение углеродных волокнистых материалов с использованием пиролитических добавок в условиях производства

3.4 Исследование пиролиза гидратцеллюлозных волокон и механизма воздействия пиролитических добавок на этот процесс

4 ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОКСАДИАЗОЛЬНЫХ ВОЛОКОН

4.1 Изучение процесса пиролиза полиоксадиазольных волокон

4.2 Получение углеродных волокнистых материалов в условиях производства

ВЫВОДЫ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процессов получения углеродных волокнистых материалов с использованием пиролитических добавок»

В настоящее время значительно возрос интерес и спрос на средне- и низкомодульные углеродные волокнистые материалы (УВМ), что свидетельствует о расширении сфер применения этого вида продукции. Такие материалы используют в различных областях современной промышленности, науки, техники и медицины, прежде всего в качестве наполнителей полимер - углеродных и углерод - углеродных композиционных материалов, термозащитных элементов, носителей катализаторов, сорбентов и токопроводящих материалов. Однако в силу больших удельных затрат сырья и энергии, низкого выхода готового продукта, стоимость выпускаемых УВМ сравнительно велика, что сдерживает их распространение в России и странах СНГ. Выход углеродных волокнистых материалов (отношение масс готового и исходного волокна) является важным технико-экономическим показателем производства, зависящим от свойств и условий подготовки исходного сырья, использования специальных пиролитических добавок и условий высокотемпературной обработки.

Теория и практика получения УВМ показывает, что среди наиболее важных путей совершенствования процессов и технологий их получения следует выделить: расширение круга исходных волокон - прекурсоров; применение новых добавок, способствующих повышению выхода готовых продуктов и снижению продолжительности и температуры получения УВМ; модификацию волокнообразующих полимеров перед и/или в процессе высокотемпературной обработки.

Комплексный подход, учитывающий все особенности получения УВМ, позволяет не только увеличить экономическую эффективность процесса, но и улучшить их технические и потребительские свойства.

Научный интерес работы состоит в том, что впервые изучены закономерности пиролиза как исходных, так и предварительно импрегнированных пиролитическими добавками полиоксадиазольных волокнистых материалов, и предложена обоснованная модель физико-химических преобразований, происходящих в процессе термообработки данного полимера в инертной среде. Вместе с тем, изучены особенности процессов, происходящих в предварительно импрегнированных пиролитическими добавками и их системами гидратцеллюлозных волокнистых материалах при термолизе в инертной среде. Выявлен синергический характер воздействия исследуемых пиролитических систем на процесс пиролиза полимерных волокон. На основании комплексных исследований предложены и обоснованы модели физических преобразований в процессе пиролиза гидратцеллюлозных волокнистых материалов в отсутствии и в присутствии пиролитических добавок. Установлен характер влияния предварительного окисления исходных и импрегнированных пиролитическими добавками волокон - прекурсоров на выход и прочность УВМ. Впервые для характеристики выхода углеродных волокнистых материалов предложен параметр К (выход нетто), определяющий количество обеззоленного пекового остатка, непосредственно формирующего структуру волокна.

Практическим результатом исследований является разработка технологий получения различного вида УВМ из гидратцеллюлозных (ГЦ) и полиоксадиазольных (ПОД) прекурсоров, позволяющих получать углеродные материалы с высоким выходом и регулируемой прочностью. Опытные партии углеродных материалов получены в производственных условиях. Приоритет углеродных волокнистых материалов и разработанных способов их получения защищены патентами и заявками на патенты.

Настоящая работа является продолжением серии экспериментов, связанных с разработкой технологических режимов и поиском дешевых и эффективных прекурсоров и пиролитических добавок, позволяющих получать углеродные материалы с высокими выходом, физико-механическими свойствами и/или высокими сорбционными характеристиками.

Диссертационная работа ориентирована на выпуск полномасштабных партий готовой продукции на действующем оборудовании ПО "Химволокно" (г. Светлогорск, Беларусь).

Тематика работы включена в совместную межгосударственную программу Россия - Беларусь «Создание и организация серийного производства оборудования для выпуска химических волокон» (код 111010) и Координационного плана РАН по научно-исследовательским и опытно-промышленным работам по синтезу, исследованию и применению адсорбентов (тема 2.15.3).

Выполненная диссертационная работа прошла широкую апробацию на профильных конференциях и семинарах, новизна исследования подтверждена патентами и заявками на изобретения, по теме диссертации опубликовано 10 научно-технических печатных работ.

Автор выражает глубокую благодарность за поддержку и обсуждение результатов д.х.н., проф. Грибанову A.B., к.т.н. Асташкиной О.В., Басок М.О.; студентам и сотрудникам кафедры ТХВ и КМ за помощь в написании работы.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Пискунова, Ирина Александровна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Изучено влияние различных пиролитических добавок и систем пиролитических добавок на процессы получения углеродных волокнистых материалов из гидратцеллюлозного сырья.

2. Показано, что применение систем пиролитических добавок приводит к синергическому эффекту воздействия на выход и/или прочность углеродных волокон. Наиболее эффективной системой добавок, является система неорганических солей КН4С1:>Ш4ВР4, позволяющая получить углеродные волокнистые материалы с выходом 44,5 % и прочностью 43 сН/текс.

3. Впервые исследованы закономерности пиролиза полиоксадиазольных волокон и рассмотрено влияние пиролитических добавок, предварительного окисления и изотермической выдержки на выход и прочность углеродных продуктов. С использованием пиролитических добавок получены углеродные волокна с различными конечными температурами обработки, высоким выходом - до 58,1 % и прочностью - до 54,5 сН/текс.

4. На основании комплексных исследований предложены модельные представления о преобразованиях, происходящих в гидратцеллюлозных и полиоксадиазольных прекурсорах в ходе пиролиза, как в отсутствии, так и в присутствии добавок. Это позволяет теоретически обосновать и дать практические рекомендации по проведению высокотемпературной обработки этих полимерных материалов.

5. В условиях производства апробированы разработанные способы получения углеродных волокнистых материалов, наработаны опытные 1 партии углеродных материалов.

6. Предложено оценивать выход углеродных материалов с помощью новой характеристики - выхода нетто, определяющей количество обеззоленного пекового остатка, непосредственно формирующего структуру волокна.