Производство углеволокна в России: получение тканей

Что такое углеродные волокна?

Улеволокно (углерод) — полимерный композиционный материал на основе углеродных волокон. Наиболее популярны среди других пластиков и композитов. Углеродное волокно, в четыре раза превышающее предел прочности на разрыв по сравнению с лучшими сортами стали, намного легче железа (75%) и алюминия (30%).

Углеродные нити довольно хрупкие и поэтому создают из них эластичную ткань. А добавление полимерных связующих делает возможным производство пластмасс, армированных углеродным волокном, что произвело революцию во многих областях человеческой деятельности.

История

Впервые производство и использование углеродных волокон было предложено и запатентовано в 1880 году американским изобретателем Эдисоном для нитей в электрических лампах. Эти волокна были получены пиролизом хлопковых или вискозных волокон и отличались высокой пористостью и хрупкостью.

Вторичный интерес к углеродным волокнам возник, когда проводились исследования материалов, пригодных для использования в качестве компонентов для производства ракетных двигателей. С точки зрения качества углеродные волокна оказались одним из наиболее подходящих армирующих материалов для этой роли, поскольку они обладают высокой термической стабильностью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газов и жидкостей, высоким удельным сопротивлением и жесткостью.

В 1958 году углеродные волокна на основе вискозы были получены в США. При производстве углеродных волокон нового поколения применялась высокотемпературная постепенная обработка волокон гидрата целлюлозы (ГЦК) (900 ° C, 2500 ° C), что позволило достичь значений прочности на разрыв 330-1030 МПа и модуль упругости 40 ГПа. Некоторое время спустя (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон (нитевидных кристаллов) из графита прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа.

Вискеры выращивались в электрической дуге при температуре 3600 ° C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Много времени и внимания уделялось совершенствованию этой технологии на протяжении многих лет, но сейчас она редко используется из-за ее высокой стоимости по сравнению с другими методами производства углеродного волокна.

Практически одновременно в СССР и немного позже, в 1961 году, в Японии были получены углеродные волокна на основе волокон полиакрилонитрила (ПАН). Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысокими, но технология постепенно улучшалась, и через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН с пределом прочности на разрыв 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа.

При этом продемонстрирована возможность производства углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности при растяжении более 3 ГПа. УВ на основе нефтяного пека были также получены в 1970 году в Японии.

Чен и Чун изучили влияние углеродного волокна, легированного диоксидом кремния, на усадку бетона при высыхании и пришли к выводу, что объемная доля углеродного волокна в количестве 0,19% (при средней длине волокна 5 мм и диаметре 10 мкм) с

Содержание микрокремнезема 15% от массы цемента привело к снижению усадки при высыхании до 84%. Исследователи обнаружили, что использование углеродного волокна с дымом кремнезема может улучшить такие свойства, как прочность на сжатие и химическая стойкость.

Альхадиси Абдул Кадир и другие исследовали влияние добавления углеродного волокна на механические свойства легкого бетона. Волокно было добавлено в соотношении 0,5%, 0,1%, 1,5% по объему. Все составы характеризовались более высокими значениями прочности на сжатие и растяжение и прочности на изгиб примерно на 30%, 58% и 35%, соответственно, по сравнению с эталонной смесью.

Свойства углеродного волокна

Давайте узнаем, что именно представляет собой это перспективное углеродное волокно. Это материал, состоящий из тончайших нитей диаметром три микрона, почти полностью состоящих из атомов углерода. Содержащиеся в нем атомы углерода объединены в кристаллы, расположенные параллельно друг другу, как верные легионеры в когорте. Такое расположение кристаллов придает углеродному волокну уникальный набор технических характеристик и эксплуатационных свойств:

1. Отличная механическая стойкость при небольшом весе.
2. Повышенная устойчивость к высоким температурам.
3. Отличная коррозионная стойкость в агрессивных средах.
4. Хорошие теплоизоляционные свойства.
5. Химическая инертность с хорошими адсорбционными свойствами.

Такое уникальное сочетание всех этих преимуществ сверхлегкого углеродного волокна объясняет его ценность и незаменимость во многих отраслях промышленности. Композитные материалы на основе углерода — идеальные материалы для работы в экстремальных условиях. И они уже вытесняют обычную сталь, которая при той же массе во много раз ниже по прочности и жесткости. Уменьшение веса деталей и конструкций значительно экономит топливо, а также снижает вредные выбросы в атмосферу.

Способы получения углеродного волокна

Углеродное волокно — замечательный полимер, прочнее стали, но намного легче. Как вы его получите? Путем обработки натуральных или специальных химических волокон при очень высокой температуре, в результате чего в материале остается в основном углерод. Органические источники — полиакрилонитрил (ПАН) и вискозные волокна, химико-фенольные смолы, лигнин, уголь и пек.

Рассмотрим процесс термической обработки полиакрилонитрила, который состоит из нескольких этапов:

• Окисление. Днем нагреваем до температуры 250˚C — при этом углерод C и азот N образуют циклические соединения в виде колец:
• Карбонизация. Поднимаем температуру до 700-1500, водород Н2 испаряется. У нас получаются склеенные ряды колец, которые потом соединяются между собой.

• Графики. Увеличиваем нагрев до 1300-3000˚С, что приводит к плавлению новообразованных полосок и удалению азота N2:

В результате термической обработки мы получаем практически чистый углерод в виде графита. Это вещество будет называться углеродным волокном. Затем эти волокна превращаются в нити, из которых можно сплетать особую ткань: универсальную углеродную ленту FibArm Tape с очень широким спектром применения.

Углепластики очень популярны, это композитные материалы, в которых смола удерживает нити углеродного волокна в желаемом положении, придавая пластику необходимую форму и характеристики. Эпоксидные смолы, такие как двухкомпонентная эпоксидная смесь FibArm Resin HT +, чаще всего используются в качестве смолы+.

Углеродные волокна в настоящее время все чаще используются при строительстве, армировании и сейсмическом армировании конструкций, состоящих из:

1. Металлы.
2. Расчет.
3. Древесина.
4. Железобетон.

Армирование строительных конструкций углеродным волокном повысит несущую способность без изменения конструкции объекта. Все необходимые композитные материалы можно приобрести на нашем сайте FibArm, где представлены следующие продуктовые линейки:

1. Углеродные ленты и сетки.
2. Сайя.
3. Ламелла.
4. Анкерные стропы.
5. Эпоксидный клей.
6. Композиции ремонтные.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут производиться в самых разных формах: отрезанные нити (обрезанные, короткие), непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенными видами продукции являются пакля, пряжа, фитили и нетканые материалы. Все виды текстильных изделий производятся по традиционным технологиям, а также из других видов волокон. Тип текстильного изделия определяется предполагаемым методом использования углеводородов в композитном материале, так же, как и метод получения самого композитного материала.

Основные методы производства композитов, армированных углеродным волокном, являются общими для волокнистых материалов: раскладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время производятся многочисленные виды УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.

• На основе вискозных нитей и волокон:
  • нитки, ленты, ткани — Урал®;
  • нетканое полотно — Carbopon®;
  • активированные впитывающие ткани — Бусофит®, САУТ-1С, АВТ-М;
  • активированные впитывающие нетканые материалы — Карбопон-Актив®.
• Из вискозных штапельных волокон:
  • волокна и нетканые материалы: карбонизированные — Углен® (технология восстановлена ​​на Светлогорском ПО «Химволокно») и графитированные — Gralen®;
• Связка потоков и PAN:
  • ленты и ткани — LU®, UKN®, Pendant®, Elur®, ITECWRAP®.
  • активированные и нетканые впитывающие волокна — Aktilen®, Lycron®;
  • порошок диспергированный из измельченных волокон — Vaulen®, OUT-MI (для медицинского применения).
• PAN на основе волокна:
  • Волокна и нетканые материалы: карбонизированные — Evlon® и графитированные — Concor®.

Условия транспортировки и хранения углеродного волокна

• Катушки необходимо хранить на крытых складах в упакованном виде, ящики должны находиться в горизонтальном положении.
• Рекомендуемые условия хранения.
  • Температура: 0-40 ° С. Хранение при минусовых температурах не рекомендуется.
  • Влажность: 40-80%.
• транспортировка в неотапливаемом транспорте допускается при температуре до -30 ° С.
• Во избежание образования конденсата на поверхности. Перед использованием развернутые бухты следует хранить не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 ° C и влажности от 40 до 80%.
• При правильных условиях хранения производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет со дня изготовления.

Немного технических особенностей для понимания карбона

Поскольку в состав угля входят разные материалы (углеродное полотно в качестве основы и эпоксидная смола для склеивания), которые различаются по свойствам, он получается довольно интересным и необычным по своим техническим характеристикам. Вот почему он используется в суперкарах и не только.

Индикаторы	Плотность (ρ, кг / м³)	Температурный режим (Tm, ° C)	Предел прочности (σB, МПа)	Эластичность (σB / ρ, МПа / кгм-3)
Углерод	1413	3700	2760	157
Стекло E	2548	1316	3450	136
S стекло	2493	1650	4820	194
Графитовый	1496	3650	2760	184
Молибден	166	3650	1380	14
Полиамид	1136	249	827	73
Полиэстер	1385	248	689	49
Сталь	7811	1621	4130	53
Титан	4709	1668	1930 г	41 год
Вольфрам	19522	3410	4270	22
Алюминий	2687	660	620	2300
Асбест	2493	1521	1380	5500
Бериллий	1856 г	1284	1310	7100
Карбид бериллия	2438	2093	1030	4200

Характеристики углеродного волокна

Эластичный модуль. HC обычно группируются по форме:

• Низкий модуль (HS): 160-270 ГПа;
• Средний модуль (IM): 270-325 ГПа;
• Высокий модуль (НМ): 325-440 ГПа;
• Сверхвысокий модуль упругости (UHM): 440+ ГПа;

Диаметр и количество нитей. Каждая струна состоит из тысяч нитей. Диаметр такой углеродной нити 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса. В маркировке любой тип волокна имеет обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К — это количество нитей в жгуте (в тысячах).

Линейная плотность. Помимо обычной плотности принято различать ровные линейные волокна. Он измеряется в тексах (текс). Если линейная плотность равна 800 текс, то один километр этой балки имеет массу 800 г.

Читайте также: Обозначение твердости карандашей для черчения и рисования

Прочностные характеристики

Конечное значение прочности, указанное в сертификатах качества и т.д., снимается с пропитанного и затвердевшего жгутика (микропластика). Микропластик: веревка, пропитанная полимерным связующим и закаленная под действием растягивающего напряжения.

УВ достаточно хрупкий, поэтому снимать с него прочностные характеристики в непропитанном состоянии особого смысла не имеет. Для конечного пользователя еще более важно знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому чаще всего на это указывает:

• Прочность на разрыв мультифиламентной микропластической пряжи. ГПа
• Модуль упругости микропластической пряжи. ГПа

Виды волокон карбона

Волокна могут быть короткими, нарезанными, они называются «рублеными», или они могут быть непрерывными нитями на катушках.
Это могут быть жгуты, пряжа, фитили, которые затем используются для изготовления тканых и нетканых материалов и лент. Иногда волокна помещают в полимерную матрицу без переплетения (UD).

Поскольку волокна хорошо работают при растяжении, но плохо при изгибе и сжатии, идеальное применение углеродного волокна — это использование его в форме углеродного переплетения.

Его получают с помощью различных видов плетения: ёлочка, мат и др., которые имеют международное название Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехватываются крупными точками перед заливкой в ​​смолу. Правильный выбор ткани из углеродного волокна, исходя из технических характеристик волокна и типа плетения, очень важен для получения высококачественного углеродного волокна.

В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, при которых ткань распределяется слоями с изменением направления плетения для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего углеродный лист толщиной 1 мм состоит из 3-4 слоев.

Достоинства материала

Многие знают о коррозии сборного железобетона, вызванной стальной арматурой. Использование сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры дает превосходные результаты.

1. Бетонные стеновые панели можно сделать намного тоньше.
2. Вес панелей становится намного легче (до 75%).
3. Никакой дополнительной изоляции не требуется, потому что углеродное волокно не проводит ни тепло, ни холод.
4. Обладает высокой огнестойкостью.
5. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сэндвич-панелей.

Недостатки

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые необходимо учитывать при планировании его использования.

1. Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.
2. Материал обладает способностью отражать электрические волны, что в некоторых случаях может быть недостатком.
3. Процесс производства композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.

Почему цена на углеволокно так высока?

Высокое потребление энергии — основная причина высокой стоимости углеродного волокна. Однако это с лихвой компенсируется впечатляющим результатом. Трудно поверить, что все началось с «мягкого и пушистого» материала, содержащегося в довольно обыденных вещах и известного не только сотрудникам химических лабораторий. Белые волокна — так называемые сополимеры полиакрилонитрила — широко используются в текстильной промышленности. Они входят в состав платьев, костюмов и трикотажа, ковров, брезента, обивки и фильтрующих материалов.

Другими словами, сополимеры полиакрилонитрила присутствуют везде, где акрил упоминается на прилагаемой этикетке. Некоторые из них «служат» пластиковыми. Самый распространенный среди них — АБС-пластик. Получается, что у углерода много «кузенов». Углеродная нить имеет впечатляющую прочность на разрыв, но ее способность «бить» на поворотах «нас подводила».

Поэтому при такой же стойкости изделий предпочтительнее использовать ткань. Организованные в определенном порядке волокна «помогают» друг другу справиться с нагрузкой. Односторонние ленты лишены этого преимущества. Однако, устанавливая разные ориентации слоев, можно достичь желаемой прочности в желаемом направлении, значительно сэкономить на массе детали и без необходимости усиливать второстепенные точки.

Примеры использования углеродного волокна

Астронавтика, ракеты и самолетостроение: углеродные волокна используются для создания теплозащитных материалов для космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления носовых частей, деталей двигателей, теплопроводных устройств для электростанций.

Автомобильная промышленность — используется для изготовления капотов, крыш, карданных валов, для панелей корпуса, для изготовления шин, бензобаков.

Промышленность — материалы для изготовления поездов, верхних рентгеновских панелей, корпусов ПК, для фильтрации агрессивных сред, очистки газов.

Спортивный инвентарь — используется при производстве удочек, велосипедов, хоккейных клюшек, подставок, ручек клюшек и так далее.

Военно-оборонная промышленность — используется при производстве современных средств индивидуальной защиты, при производстве экзоскелетов, при производстве современного оружия

Медицина: специальная одежда для операционных с добавлением углеродных волокон, специальные инструменты и т.д.

Применение

HC используется для армирования композитных, теплоизоляционных, химически стойких и других материалов в качестве наполнителей в различных типах пластмасс, армированных углеродным волокном. Крупнейшим рынком углеводородов в настоящее время является производство первичных и вторичных конструкций самолетов различных производителей, в том числе таких компаний, как Boeing и Airbus (до 30 т / шт.). В связи с резким увеличением спроса в 2004-2006 годах на рынке возник значительный дефицит волокна, что привело к резкому росту цен.

Из углеводородов изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электротехники и радиотехники. На основе УВ получаются жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными так называемые так называемые. «Угольные обогреватели», которые нагревают одежду и обувь. Углеродный войлок — единственная теплоизоляция, которая возможна в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 ° C и выше.

Из-за своей химической инертности материалы из углеродного волокна используются в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве прокладок и сальников. Ионообменники UVA и углеродное волокно используются для очистки воздуха, а также для обработки газов и жидкостей, выделения из них ценных компонентов и производства средств индивидуальной защиты для дыхательной системы.

УФА (в частности, актилен) широко используются в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв незаменима ткань AUT-M, разработанная в начале 1980-х годов и испытанная во время боевых действий в Афганистане 3. В качестве лекарственного средства используется при отравлениях (в связи с высокой способностью абсорбировать яды (например, препарат «Белосорб» или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ.

Катализаторы HC используются в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления примесей, содержащихся в газах (CO в CO2, SO2 в SO3 и т.д.). Он широко используется при изготовлении кузовных деталей в автоспорте, а также при производстве спортивного инвентаря (клюшки для гольфа, весла, лыжи, рамы и компоненты велосипедов, обувь) и т.д.

Углеродное волокно используется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) — с его помощью конструктивные элементы из железобетона, металла, камня и дерева зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры после длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред во время эксплуатации, а также сейсмического усиления.

Суть метода заключается в повышении прочности элементов, принимающих нагрузки при эксплуатации зданий и сооружений, с помощью карбона, ламелей и сеток. Армирование строительных конструкций углеродным волокном увеличивает несущую способность без изменения структурного рисунка объекта.