Углеродное волокно

Углеродное волокно (УВ, углеволокно) - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода, которые объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Углеродное волокно используется для производства углепластиков методом оплетки и в качестве сырья для производства углеродных тканей, препрегов жгутов, фибры, углеродных композиционных материалов.

История

Впервые углеродное волокно было получено ученым Томасом Эдисоном в конце 1800х годов, оно использовалось в качестве элемента накаливания в первых лампочках. Для получения первых углеродных волокон использовались материалы на основе целлюлозы, такие как бамбук и хлопок. В строительной отрасли углеволокно активно начинает применяться в конце XX века – начале XXI. Главными факторами мотивирующими развитие и внедрение материалов на основе углеродного волокна можно считать, заинтересованность производителей композитов в реализации продукции, подготовленность научной базы к созданию новых материалов, потребность в инновационных материалах обладающих высокими характеристиками.

Применение

До 1972 г. объем применения УВ был очень незначительным (менее 10 тонн в год) и ограничивался почти исключительно авиационной и космической промышленностью, но даже и в этих областях УВ применялись только для самых передовых образцов техники. Эта ситуация кардинально изменилась в 1973 г., когда началось массовое производство клюшек для гольфа на основе УВ, после чего спрос на УВ внезапно подскочил. УВ применяются в основном в качестве армирующих элементов композиционных материалов с различными типами матриц. Общепринятым названием таких материалов является термин углеродные композиционные материалы. В случае применения в качестве матрицы полимеров такие материалы называются углепластиками. В ряду всех известных конструкционных материалов углеродные композиционные материалы отличаются чрезвычайно высокими удельными прочностью и упругостью, что обусловлено уникальными свойствами армирующих элементов – УВ. Это способствует все более широкому внедрению углеродных композиционных материалов, в частности, углепластиков, в самых ответственных наукоемких отраслях техники. Применение углеродного волокна в строительстве,как отмечалось выше, обусловлено в первую очередь высокими физико механическими характеристиками (относительно традиционных армирующих материалов), высокой стойкостью к действию концентрированных горячих водных растворов кислот и щелочей. Однако все же химическая и коррозионная стойкость композитов определяется связующими. Помимо этого изделия на основе углеволокна значительно легче стальных, более выгодны с точки зрения трудоемкости работ в сфере усиления конструкций. Свое применение изделия с применением углеродного волокна нашли преимущественно в усилении конструкций в районах с высокой сейсмической активностью, в конструкциях находящихся в агрессивной среде.

Технология получения

Т.А. Эдисон в 1880 году первым запатентовал получение углеродного волокна путем прокаливания хлопчатобумажной нити, которая использовалась в качестве элемента накаливания в электрических лампах. В течение следующих 20 лет он предложил получать УВ из различных природных волокон. В настоящее время углеволокно получают путем высокотемпературных превращений без доступа воздуха (процесс пиролиза) из полимерных волокон- предшественников (прекурсоров), дающих наибольший выход углеродного остатка при пиролизе. Их структурно-химические особенности полностью определяют применяемую технологию. Такими предшественниками могут быть волокна из полиакрило- нитрила, обычный и жидкокристаллический (мезофазный) пеки, искусственный шелк, гидратцеллюлозы, феноло- формальдегидная смола и др. В зависимости от природы прекурсора и режимов производства получают УВ с различными свойствами. Это могут быть: высокопрочные и высокомодульные волокна с повышенной прочностью и удлинением, а также многоцелевые УВ общего назначения.

Свойства углеродных волокон

Вследствие глубоких химических превращений при высокотемпературной обработке и удаления летучих продуктов происходит уменьшение массы волокон, так что выход волокна в виде углерода составляет:

Для волокон на основе вискозного прекурсора: карбонизо-

ванных – 25 – 35 %, графитизированных – 23 – 30 %;

Для волокон на основе полиакрилонитрильного прекурсора:

карбонизованных – 45 – 50 %, графитизированных – 40 – 50 %.

Химический состав и структура УВ зависят от состава исходных волокон-прекурсоров и условий их получения. С повышением температуры термообработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5 %. По максимальной температуре термообработки и элементному составу все УВ можно подразделить на три вида:

Частично карбонизованное (температура обработки < 500ºС, содержание углерода до 90%);

Карбонизованное (температура обработки 500-1000ºС, содержание углерода 91-99%);

Графитизированное (температура обработки >1500ºС, содержание углерода >99%);

В структуре УВ содержатся также атомы кислорода, азота,кремния, фосфора в зависимости от технических добавок, а на поверхности различные функциональные группы - преимущественно кислородсодержащие: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др. УВ сохраняют надмолекулярную структуру волокон-прекурсоров и включают фибриллярные образования с чередованием аморфных и кристаллических областей. С увеличением температуры и натяжения при термической обработке степень ориентации и кристалличность УВ возрастают. Микроструктура УВ характеризуется высокой пористостью, создающей большую внутреннюю поверхность, достигающую 50 – 400 м2/г и до 1000 – 1500 м2/г после специальной активации. УВ малогигроскопичны, но вследствие развитой поверхности они сорбируют водяные пары до 0,2 – 3,0 %, что, однако, мало влияет на механические свойства. УВ обладают абсолютной фотохимической и атмосферостойкостью, высокой устойчивостью к действию проникающей радиации, хемостойкостью ко многим видам реагентов: концентрированным растворам кислот и щелочей, всем видам растворителей, умеренным окислителям. На них оказывают действие только сильные окислители при нагревании. УВ также абсолютно биостойки и биоинертны. Термические свойства УВ существенно зависят от характера окружающей атмосферы. На воздухе УВ окисляются при повышенных температурах. Поэтому их температура длительной эксплуатации не превышает 300 – 400 ºС. В инертной среде температура длительной эксплуатации составляет 400 – 600 ºС. В условиях кратковременного нагрева в инертной или восстановительной среде они выдерживают температуру 1500 – 2000 ºС и даже до 2500 – 3000 ºС. УВ обладают полупроводниковыми свойствами. Варьируя условия термической обработки, вводя легирующие добавки (бор, щелочные металлы) или формируя проводящие области из различного типа электропроводящих легирующих добавок, можно в широком диапазоне изменять электропроводность УВ. Обработкой УВ окислителями, концентрированными растворами кислот (азотная, серная, фосфорная) и другими реагентами получают УВ-катионообменники. Путем аминирования (с предварительным хлорированием или без него) в парах аммиака, пиридина при нагревании получают УВ-анионообменники. Введением в исходные волокна-прекурсоры или в УВ солей различных металлов (платины, иридия, палладия, хрома, ванадия, серебра, марганца, меди, кобальта, никеля, железа и др.) и последующей термической обработкой, при которой происходит восстановление металлов, получают металлсодержащие УВ катализаторы с высокой каталитической активностью.