Углеродное волокно часто производят двумя основными методами: с использованием полиакрилонитрила (ПАН) и из пека. [1] [2] [3] Пек представляет собой вязкоупругий материал, состоящий из ароматических углеводородов. Пек производится путем перегонки углеродсодержащих материалов, таких как растения, сырая нефть и уголь. [1] [2] [3] Пек изотропен, но его можно сделать анизотропным с помощью термической обработки. Однако наиболее важным в производстве углеродного волокна является мезофазный пек, поскольку он способен плавить спин-анизотропный мезофазный пек без разрыва нити.
Мезофазный пек образует термотропный кристалл , что позволяет пеку организовываться и образовывать линейные цепочки без применения напряжения. Мезофазный пек получают путем полимеризации изотропного пека до более высокой молекулярной массы. Температура плавления мезофазного пека составляет примерно 300 °C. Преимуществом производства углеродных волокон Pitch перед углеродными волокнами PAN является то, что углеродные волокна Pitch не требуют постоянного натяжения волокон на всех этапах обработки. Было обнаружено, что углеродные волокна на основе пека имеют более листовидную кристаллическую структуру, в отличие от углеродных волокон на основе ПАН, которые являются более зернистыми. [4]
Производство углеродного волокна из пека состоит из четырех основных этапов: 1) прядение из расплава, 2) окисление/предкарбонизация, 3) карбонизация и 4) графитизация. [1] [5] [6]
1) Прядение расплава — метод формирования волокон путем быстрого охлаждения расплава; из-за высоких скоростей охлаждения мезофазный пек способен стать высокоориентированным. Мезофазный пек можно формовать из расплава, но из-за его текучести этот процесс может быть затруднен. [7] Вязкость мезофазного пека более чувствительна к температуре, чем у других материалов, полученных методом прядения из расплава. Поэтому при создании волокон на основе пека необходимо тщательно контролировать температуру и скорость теплопередачи.
2) Окисление/предварительная карбонизация используется для того, чтобы сшить волокна до такой степени, что их невозможно расплавить или сплавить вместе. [1] Этот этап чрезвычайно важен, поскольку на нем производятся волокна, устойчивые при высоких температурах карбонизации и графитизации; в противном случае волокна на этих этапах процесса выйдут из строя.
3) Карбонизация – это процесс удаления всех неорганических элементов. В случае углеродных волокон все элементы, кроме углерода, удалены. Это достигается путем нагрева волокон до высоких температур в среде без кислорода. [6] [8] На этом этапе из волокон удаляются все примеси и остаются кристаллические углеродные структуры. Эти структуры в основном имеют шестиугольную форму и полностью состоят из углерода.