книги из ГПНТБ / Конкин, А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы

ВВЕДЕНИЕ

В связи с развитием ракетостроения, самолетостроения и дру­ гих отраслей новой техники и освоением космоса возникла острая потребность в жаростойких волокнистых материалах. Традицион­ ные природные и химические волокна, в том числе термостойкие, уже не удовлетворяли этим требованиям. Создание новых типов волокон сводилось к получению жаростойких соединений и прида­ нию им формы волокна. К тому времени, когда появилась потреб­ ность в этих материалах, было известно большое число, преиму­ щественно неорганических, соединений, обладающих высокой тер­ мической стойкостью. К ним относятся углерод, карбиды, нитриды, некоторые металлы и сплавы, окислы отдельных элементов и др. Таким образом, задача сводилась к разработке способов получе­ ния волокнистых материалов из новых видов сырья. Превращение жаростойких соединений в волокна представляло собой новую, сложную научно-техническую проблему. Обычные методы формо­ вания химических волокон из расплавов и растворов полимеров в большинстве случаев оказались непригодными. Возникла потреб­ ность в разработке, новых способов получения волокон, зачастую из низкомолекулярных соединений. Эта задача была успешно решена.

В настоящее время известно большое число жаростойких воло­ кон. Некоторые из них выпускаются в опытно-промышленном и промышленном масштабе, другие не вышли за рамки лаборатор­ ных исследований.

К важнейшим жаростойким волокнам относятся углеродные, борные, карбидные, борнитридные, волокна на основе металлов и сплавов, окислов элементов и некоторые другие. Ниже, в таблице, сопоставлены свойства высокопрочных жаростойких волокон со свойствами некоторых конструкционных материалов.

Большинство новых типов волокон наряду с жаростойкостью обладает очень высокими физико-химическими и механическими свойствами: температура плавления 1300— 3650°С, прочность 200—

11

Среди жаростойких волокон по масштабам производства пер­ вое место занимают углеродные волокна. И это не случайно, так как по технико-экономическим предпосылкам, механическим пока­ зателям, и особенно по их удельным значениям (отношение проч­ ности и модуля Юнга к плотности), углеродные волокна, кроме усов, превосходят все жаростойкие волокна. Некоторые виды стек­ лянных волокон имеют более высокую прочность, но они не отно­ сятся к собственно жаростойким материалам, к тому же у них невысокий модуль Юнга.

Углеродные волокна впервые были получены Эдисоном еще в 1882 г. Они длительное время применялись в электрических лам­ пах накаливания. С появлением вольфрамовых нитей углеродные волокна потеряли значение. Лишь в.последние 15 лет вновь возник интерес к ним и начались интенсивные исследования.

В результате термической деструкции, проводимой в соответ­ ствующих условиях, из большинства органических соединений, в том числе из полимеров, получается материал, обычно называе­ мый коксовым остатком; этот материал характеризуется высоким содержанием углерода. Из огромного числа соединений лишь не­ многие могут служить исходным сырьем для производства углерод­ ных волокнистых материалов. Все виды сырья, применяемого для этих целей, можно подразделить на две группы. К первой группе относятся химические и природные волокна, ко второй — некоторые полимеры, смеси органических соединений, богатые углеродом (ка­ менноугольные смолы, нефтяные пеки), а также лигнин и др. Вещества, отнесенные к второй группе, независимо от их химиче­ ской природы, вначале превращаются в волокна, а затем перера­ батываются в волокнистые углеродные материалы. Таким обра­ зом, в обоих случаях исходным материалом служат волокна, так как только из соединений, имеющих форму волокна, представляет­ ся возможным получить углеродные материалы аналогичной фор­ мы. Исходные вещества должны быть высокомолекулярными соединениями или по крайней мере иметь достаточно большой мо­ лекулярный вес, необходимый для их переработки в волокна. Низ­ комолекулярные соединения непригодны для этих целей, так как получить из них волокна и соответственно углерод в виде волокна не представляется возможным.

Процесс получения углеродных волокон из органических воло­ кон состоит из двух основных стадий — карбонизации и графитации. Эти стадии разграничены конечной температурой обработки для каждой из них. Карбонизация заканчивается при температуре 900— 1500 °С, и содержание углерода в волокне в зависимости от конечной температуры^ карбонизации составляет 80—99%. Волок­ на, полученные на этой стадии, обычно называют карбонизованными волокнами. Графитация проводится при температуре до 2600— 2800 С. Исходным материалом для графитации, как правило, слу­ жат карбонизованные волокна. Волокна, подвергнутые высокотем­ пературной обработке, в книге называются графитированными

13

волокнами. Это название в известной мере условно, так как волок­ но имеет турбостратную структуру, отличную от структуры графи­ та (см. гл. 1). ■

Содержание углерода в графитированном волокне выше 99%. В книге применяется также собирательное название «углеродные волокна», относимое к обоим типам волокон.

Процесс карбонизации волокон целесообразно подразделить на две стадии: пиролиз и собственно карбонизация. Пиролиз — тер­ мическая обработка при температурах, достигающих 250—400 °С. В этой области температур протекают основные реакции термоде­ струкции полимеров и получается предматериал, участвующий в образовании углеродного скелета волокна. На стадии карбониза­ ции протекающие физико-химические процессы приводят к образо­ ванию карбонизованного волокна.

Карбонизация и графитация волокон проводятся при строго ре­ гулируемых температурно-временных режимах в инертной среде; на стадии карбонизации в ряде случаев применяются катализато­ ры. Строгое соблюдение условий термической обработки является необходимой предпосылкой получения высококачественного и стан­ дартного углеродного волокна.

Карбонизация и графитация являются основными, но не един­ ственными стадиями получения углеродных волокон. В зависимо­ сти от вида сырья в технологический цикл включаются другие операции. Иногда исходное волокно подвергается предварительно­ му окислению, которое существенно влияет на механические свой­ ства углеродного волокна; для удаления примесей волокно спе­ циально обрабатывается. В технологический цикл получения угле­ родного волокна могут быть включены текстильная подготовка исходного волокна, текстильные операции на отдельных технологи­ ческих переходах.

Углеродные волокнистые материалы имеют разнообразную форму. Они могут изготовляться в виде нитей бесконечной длины, жгутов, войлока, лент, тканей разнообразного ассортимента, трико­ тажных изделий и т. д. Конечная форма углеродного материала определяется формой исходного сырья. Так, для получения угле­ родных нитей бесконечной длины применяется исходное волокно аналогичной формы; при производстве углеродного жгута исходное волокно имеет форму жгута; войлок можно получать непосред­ ственно из резаного штапельного волокна или путем резки угле­ родного жгутового волокна; производство углеродных тканей осно­

вано на термообработке тканей, полученных из исходных волокон, и т. д.

Заманчива возможность переработки углеродных нитей на обо­ рудовании, применяемом в текстильной промышленности, в ткани разного ассортимента. Это имеет особенно большое значение для получения смешанных тканей, состоящих из углеродных и других жаростойких волокон, а также для получения углеродных тканей с равномерными физико-механическими свойствами. Однако из-за

14

низкого относительного удлинения и большой хрупкости перера­ ботка углеродных волокон на обычном текстильном оборудовании остается нерешенной задачей, но в этом направлении ведутся мно­ гочисленные исследования.

Волокна, предназначенные для переработки в углеродные мате­ риалы, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1.Не плавиться в процессе карбонизации.

2.Давать высокий выход коксового остатка или углеродного волокна.

3.Перерабатываться в углеродное волокно с высокими физико­ механическими показателями.

Первое требование очевидно, ибо иначе в результате плавления полимера теряется волокнистая форма и получается монолитная

масса. Так как в процессе карбонизации происходит термическая деструкция, приводящая к изменению химического состава поли­ мера, не должно плавиться не только исходное волокно, но и про­ межуточные продукты превращения, особенно те из них, которые образуются на ранних стадиях термического распада полимера. Возможность применения плавящихся волокон не исключается, но тогда необходима предварительная обработка, после которой поли­ мер становится неплавким. Обычно полимер окисляют, в результа­ те чего образуются межмолекулярные химические связи, т. е. осу­ ществляется переход от линейной к сетчатой структуре; при этом полимер теряет способность плавиться.

Получение углеродных волокон из органических связано с боль­ шими энергетическими затратами, поэтому выход углерода являет­ ся важным технико-экономическим показателем.

Выход углерода при карбонизации зависит от химического со­ става полимера, природы функциональных групп, строения макро­ молекул, характера надмолекулярных образований, морфологиче­ ских особенностей волокна, условий термообработки и других факторов.

Механические свойства углеродных волокон определяются структурой переходных форм углерода (см. гл. 1). На структуру, а следовательно, и свойства углеродного волокна влияют природа полимера, характер промежуточных продуктов, образующихся в процессе пиролиза, условия карбонизации и графитации. Суще­ ственное влияние на прочность и модуль Юнга оказывает струк­ тура волокнистых форм углерода.

Приведенные выше три основных требования, которым должны удовлетворять исходные волокна, являются сугубо феноменологи­ ческими. Сформулировать научно обоснованные требования к ис­ ходным волокнам на данном этапе физико-химических исследова­ ний термодеструкции полимеров не представляется возможным. Процессы термодеструкции полимеров и переходные формы угле­ рода слишком сложны и многообразны, поэтому можно только

качественно характеризовать переход от органических к углерод­ ным волокнам.

15

Большинство химических и природных волокон служили объек­ тами исследования, но, учитывая практическую значимость, мак­ симальное внимание уделялось химическим волокнам; системати­ ческому исследованию подвергались лишь немногие волокна, к чис­ лу которых относятся вискозное, полиакрилонитрильное и отчасти

видам сырья, применяемого для производства углеродных волок­

нистых материалов.

ПАН-Волокно используется исключительно для производства высокопрочного высокомодульного углеродного волокна, тогда как на основе вискозного корда вырабатываются высокопрочные высо­ комодульные, теплозащитные и другие типы углеродных волок­ нистых материалов. Это в известной мере обусловлено сложившей­ ся традицией и отчасти экономическими соображениями. Конку­ ренция между этими видами сырья возможна только при получении высокопрочного высокомодульного углеродного волокна.

При существующем уровне цен на высокопрочное высокомо­ дульное углеродное волокно стоимость исходного сырья не играет существенной роли. Однако в связи с наметившейся тенденцией к снижению стоимости углеродного волокна положение может измениться. Стоимость 1 кг полиакрилонитрильных текстильных нитей на международном рынке составляет 10— 12 долл., тогда как

промышленности ПАН-волокно выпускается исключительно в ви­ де штапельного волокна. Для получения же углеродного волокна используется ПАН-волокно в виде текстильных нитей. Поэтому возникла необходимость организовать производство этого вида про­ дукции. Потребность в ПАН-волокне для этих целей невелика, и это отрицательно влияет на экономику его производства. Для применения вискозного волокна имеются более благоприятные технико-экономические предпосылки, так как сырьевая база, по существу, является неограниченной.

Относительно общей продолжительности технологического цик­ ла при применении этих видов сырья конкретных сведений в ли­ тературе не имеется. Известно, что графитация независимо от вида исходного сырья завершается за короткое время, исчисляемое не­ сколькими ^минутами. Карбонизация целлюлозы — процесс очень длительный (см. гл. 2); на карбонизацию ПАН-волокна требуется гораздо меньше времени, но окисление ПАН-волокна протекает очень медленно (см. гл. 3). Поэтому суммарная продолжитель­

ность основных технологических стадий для обоих видов сырья соизмерима.

К преимуществам ПАН-волокна по сравнению с целлюлоз­ ными волокнами относится более высокий выход углерода; это вле­ чет за собой увеличение производительности оборудования и умень­

16

шение энергетических затрат при карбонизации и графитации, что

витоге влияет на себестоимость углеродного волокна.

Впроцессе термодеструкции целлюлозы выделяются летучие продукты, главным образом Н20, С 02, СО и в небольших количе­

ство получаемого углеродного волокна.

Промышленное производство углеродных материалов было на­ чато в США в 1958 г. На первом этапе основным видом продук­ ции являлись углеродные ткани, которые в таком виде или в виде пластиков, полученных на их основе, применялись в качестве теп­ лозащитных материалов. Затем почти одновременно в США на основе ВК-волокна и в Англии на основе ПАН-волокна были раз­ работаны процессы производства высокопрочного высокомодуль­ ного углеродного волокна. При оценке волокон, вырабатываемых в опытно-промышленном масштабе, по механическим свойствам следует отдать предпочтение углеродным волокнам, полученным на основе ПАН-волокна. В связи с этим некоторые фирмы США заключили соглашения с фирмами Англии и Японии на приобрете­ ние лицензий и организацию производства высокопрочного высоко­ модульного углеродного волокна с использованием в качестве ис­ ходного сырья ПАН-волокна (см. гл. 3).

Помимо химических волокон для получения углеродных волокон практическое применение находят другие источники сырья. Фирма «Kureha Carbon Fiber» (Япония) организовала производство угле­ родного волокна из нефтяного пека, а фирма «Nippon Kayku Со.» (Япония) для этих целей использует лигнин. Интенсивно разраба­ тывается способ получения углеродного волокна на основе фе­ нольных смол. Из перечисленных видов сырья изготовляются угле­ родные волокна средней прочности (50— 100 кгс/мм2) и с низким модулем Юнга. Однако в последнее время найдены способы по­ лучения высокопрочных высокомодульных углеродных волокон

(см. гл. 5).

Углеродные, особенно высокопрочные высокомодульные, волок­ на очень дороги. В Англии в 1971 г. стоимость 1 кг углеродного волокна высокого качества составляла 150 ф. ст., а волокна сред­ него качества — 95 ф. ст. В перспективе предполагается снизить стоимость 1 кг высокопрочного высомодульного волокна до 55—

вискозного волокна составляет 69—95 долл.

Высокая стоимость частично объясняется относительно неболь­ шим объемом производства этих волокон. По мере расширения областей применения и увеличения масшт

2—77

ГЛАВА 1

СТРУКТУРНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА

1.1. ВВЕДЕНИЕ

Среди химических элементов углерод занимает особое поло­ жение.

Необычайно велико число углеродсодержащих органических со­ единений. В настоящее время описано несколько миллионов ор­ ганических соединений, тогда как для остальных 103 элементов периодической системы известно всего лишь около 200 000 соеди­ нений. Углерод является основным элементом ископаемых углей. Чистый углерод в природе встречается в виде графита и алмаза. Известно большое число переходных форм углерода. К новым структурным формам углерода относятся: пироуглерод, пирогра­ фит, пленки и мембраны, стеклоуглерод, пеноуглерод, монокри­ сталлы, волокна и др. Как отмечает В. И. Касаточкин [1]: «Здесь мы встречаемся с редким случаем непрерывных изменений физи­ ческих и физико-химических свойств однокомпонентной системы, зависящей только от структуры, а не от состава, как это обычно наблюдается для многокомпонентных систем».

О природе углеродных тел существуют различные мнения. Большинство исследователей считает, что различные формы угле­ рода (кристаллические и переходные) представляют собой высоко­ молекулярные соединения.

Углеродные волокна относятся к переходным формам углеро­ да, структурные элементы которого близки к графиту. Поэтому в данной главе приводятся краткие сведения о структуре графита, рассматриваются особенности переходных форм углерода и совре­ менные представления о структуре углеродных волокон.

1.2.СТРУКТУРА ГРАФИТА

Вприроде графит встречается в различных породах, из кото­ рых выделяются мягкие маленькие чешуйки, представляющие собой кристаллы почти совершенной формы. Для изучения свойств

иструктуры графита использовались тщательно отобранные и очищенные кристаллы графита.

Одной из первых структур, изучавшихся рентгеновским мето­ дом [2, 3], была структура графита. Этим методом было установ-

лено, что атомы углерода в графите образуют параллельные слои. Расстояние между слоями в элементарной ячейке в направ­

Рис. 1.1 Структура графита.

Согласно идеализированной кристаллической структуре, пред­ ложенной Берналом [5], атомы углерода в каждом слое распола­ гаются точно над центром правильных гексагонов в соседнем верх­ нем слое (рис. 1.1), причем порядок упаковки выражается чере­ дованием слоев ab ab ab. Это означает, что по отношению к некоторой фиксированной оси с третий слой имеет точно такое же расположение атомов, что и первый, и т. д. Подобная структура соответствует гексагональной структуре с четырьмя атомами угле­ рода в элементарной ячейке.

В другой идеализированной ромбоэдрической решетке были обнаружены такие же слои шестигранных сеток, однако каждый третий слой находится в таком отношении ко второму, в каком второй находится к первому. Поэтому вдоль оси с получается сле­ дующая последовательность слоев: abc, abc. Относительное содер­ жание этой модификации из-за смещения слоев друг относи­ тельно друга изменяется при механической и химической обработке графита. Ромбоэдрическая упаковка, встречающаяся в графите после шлифовки, также обусловлена деформацией сдвига или кру­ чения [6, с. П4]1. Почти полное отсутствие ромбоэдрической упа­ ковки слоев в искусственном графите и переход ромбоэдрической структуры в гексагональную при нагревании до температуры 2000— 3000 °С свидетельствуют о большей стабильности последней модификации [7].

Внутри каждого слоя атомы углерода соединены прочными ко­ валентными др2-гибридными связями. Из четырех валентных элект­ ронов углерода три участвуют в образовании a-связи, а четвер­

20