Суровите проводници на базата на PAN трябва да бъдат предварително окислени, карбонизирани при ниска температура и карбонизирани при висока температура, за да се образуватвъглеродни влакна, и след това графитизирани, за да се получат графитни влакна. Температурата достига от 200℃ до 2000-3000℃, при което протичат различни реакции и се образуват различни структури, които от своя страна имат различни свойства.
1. Етап на пиролиза:Предварително окисление в нискотемпературната част, нискотемпературна карбонизация във високотемпературната част
Протича предварително окислително арилиране, с продължителност около 100 минути и температура 200-300 ℃. Целта е термопластичната PAN линейна макромолекулна верига да се превърне в непластична, топлоустойчива трапецовидна структура. Основната реакция за макромолекулната верига е циклизация и междумолекулно омрежване, придружени от пиролиза и освобождаване на много малки молекули. Индексът на арилиране обикновено е 40-60%.
Нискотемпературна температура на карбонизацияОбикновено е 300-800 ℃, главно чрез термична крекинг реакция, най-вече чрез високотемпературно нагряване на тел в електрическа пещ, като на етапа се отделят големи количества отработени газове и катран.
Характеристики: Цветът на предварително окислените влакна ще стане по-тъмен, обикновено черен, но все пак запазва морфологията на влакното, вътрешната структура е претърпяла известна степен на химични промени, образувайки редица кислородсъдържащи функционални групи и омрежена структура, полагайки основите за последващата карбонизация.
2. Етап на (високотемпературна) карбонизация, е предварително окисление на прекурсора в инертна атмосфера при високотемпературно разлагане, от което се отстраняват в допълнение към въглеродните хетероатоми (като кислород, водород, азот и др.), така че постепенното карбонизиране, образувайки аморфен въглерод или микрокристална въглеродна структура. Този процес е ключова стъпка във формирането на въглеродния скелет. Температурата обикновено е между 1000-1800 ℃, главно чрез термична кондензация, повечето графитни нагреватели се използват за нагряване.
Характеристики: Основният компонент на карбонизирания материал е въглеродът, структурата му е предимно аморфен въглерод или хаотична графитна структура, неговата електрическа проводимост и механични свойства са значително подобрени в сравнение с продукта преди окисление.
3. Графитизацияе допълнителна термична обработка на продукти от карбонизацията при по-високи температури, за да се насърчи структурата на аморфния въглерод или микрокристалния въглерод към по-подредена графитна кристална структура. Под действието на висока температура въглеродните атоми се пренареждат, за да образуват хексагонална решетъчна слоеста структура с висока степен на ориентация, като по този начин значително се подобрява електрическата и топлопроводимостта и механичната якост на материала.
Характеристики: Графитизираният продукт има силно кристална графитна структура, която осигурява отлична електрическа и топлопроводимост, както и висока специфична якост и специфичен модул. Например, високомодуленвъглеродни влакнасе получават чрез висока степен на графитизация.
Специфични стъпки и изисквания към оборудването за предварително окисление, карбонизация и графитизация:
Предварително окисление: извършва се на въздух при контролирана температура от 200-300°C. Необходимо е да се приложи опъване, за да се намали свиването на влакната.
Карбонизация: извършва се в инертна атмосфера с постепенно повишаване на температурата до 1000-2000°C.
Графитизация: извършва се при по-високи температури (2000-3000°C), обикновено във вакуум или в инертна атмосфера.
Време на публикуване: 22 май 2025 г.
