способ получения углеродного волокнистого материала

Классы МПК:D01F9/16 из продуктов растительного происхождения или их производных, например ацетата целлюлозы
D01F11/02 из целлюлозы, производных целлюлозы или белков
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Клименко Александр Андреевич (RU),
Морозов Сергей Михайлович (RU),
Филиппова Любовь Ивановна (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-10-21
публикация патента:

Изобретение относится к технологии получения углеродного волокнистого материала и может быть использовано в качестве материала для высокотемпературной изоляции, нагревателей, токопроводящих элементов, наполнителей пластмасс, армирующих элементов, изделий медицинского назначения, защитных, сорбционных и других материалов. Способ получения включает пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором, содержащим 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония, 2,5% хлорида натрия при 30°С в течение 30 минут с последующим отжимом. Затем с применением источника СВЧ сушат при 95±5°С и термообрабатывают в среде метана до 220°С. Частично карбонизованный материал нагревают в среде азота до 2400°С. Используют источник энергии сверхвысоких частот с выходной мощностью от 1 до 50 КВт и с рабочей частотой 100-300 МГц. Изобретение повышает эффективность способа получения углеродного волокна с повышенным уровнем прочности. 2 пр.

Формула изобретения

Способ получения углеродного волокнистого материала, включающий пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию, отличающийся тем, что целлюлозное волокно пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 мин, отжимают и высушивают при температуре 95±5°С, а термообработку высушенного целлюлозного волокна проводят в среде метана до температуры 220°С с последующим нагревом частично карбонизованного материала в среде азота до температуры 2400°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения углеродного волокнистого материала, используемого в качестве материала для высокотемпературной изоляции, нагревателей, токопроводящих элементов, наполнителей пластмасс, армирующих элементов, изделий медицинского назначения, защитных, сорбционных и других материалов.

Известен способ получения углеродного волокнистого материала пропиткой исходного целлюлозного волокна водным раствором катализатора на основе смеси гидроортофосфата и хлорида аммония до содержания его на волокне 15-30 мас.%, сушкой и термообработкой (см., например, описание изобретения к патенту США № 3235323, НКИ 8 - 116.2, опубл. 1966).

Недостатком этого способа является неравномерность температурного воздействия на волокно в различных точках обрабатываемого материала и возникновение вследствие этого локального перегрева, что приводит к снижению уровня прочности углеродного волокнистого материала и увеличению нестабильности ряда показателей.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ получения углеродного волокнистого материала, включающий пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию (см, например, описание изобретения к патенту РФ № 2016146, D01F 9/16, опубл. 15.07.1994).

Недостатком этого способа является неравномерность создаваемого теплового поля в обрабатываемой камере и вследствие этого неравномерность нагрева волокна, а также трудности, связанные с точной установкой требуемой температуры из-за инерционности нагревательных элементов.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата.

Технический результат от использования предложенного изобретения - повышение эффективности способа за счет расширения функциональных возможностей без применения дополнительного оборудования, т.е. с использованием одного источника СВЧ с регулируемой мощностью 1-50 кВт, а также повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродного волокнистого материала, включающем пропитку исходного целлюлозного волокна водным раствором каталитических соединений, содержащих хлористый натрий, гидроаммоний фосфат, хлорид аммония, сушку и термообработку с применением источника СВЧ в качестве средства для нагрева, карбонизацию и последующую графитацию, целлюлозное волокно пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают и высушивают при температуре 95±5°С, а сушку и термообработку высушенного целлюлозного волокна проводят в среде метана до температуры 220°С с последующим нагревом частично карбонизованного материала в среде азота до температуры 2400°С.

Предложенный способ отвечает условиям патентоспособности "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", поскольку он может быть реализован существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Заявляемый способ заключается в следующем. Исходное целлюлозное волокно пропитывают водным раствором соли сильной кислоты и азотсодержащего основания (фосфата, хлорида аммония и др.) или водными растворами, содержащими смеси этих веществ до содержания на волокне до 30%. Пропитанный материал карбонизируют до температуры 240-500°С и подвергают температурной обработке. Указанная задача решается таким образом, что сушку и термообработку производят в присутствии введенного катализатора с применением генератора сверхвысоких частот (СВЧ), а рабочая камера с волокном являются нагрузкой для источника энергии СВЧ.

В качестве источников СВЧ энергии используются СВЧ генераторы мощностью 1-5 КВт с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью 1-50 КВт с рабочей частотой 915 МГц. Выбор типа генератора и его мощность определяют размерами рабочей камеры и количеством помещаемого материала в камеру.

Обеспечение равномерного СВЧ нагрева и установления требуемой температуры нагрева обеспечивают преимуществами, которые СВЧ нагрев имеет по сравнению с традиционными источниками:

- тепловая безинерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал, что приводит к высокой точности регулировки процесса нагрева и его воспроизводимости;

- возможность равномерного нагрева при соответствующем подводе энергии в камеру, т.к. нагрев полем СВЧ происходит одновременно во всех точках обрабатываемого материала, чего невозможно достичь традиционными методами;

- высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую (теоретически близок к 100%) при соответствующей конструкции камеры;

- возможность избирательного нагрева отдельных составляющих многокомпонентных смесей (нагревают составляющие, имеющие высокое значение tg д);

- возможность саморегулирующего нагрева при сушке материалов, у которых tg д пропорционален влажности: высушенные области перестают нагреваться, а там, где сохранилась повышенная влажность, нагрев продолжают.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Целлюлозное волокно круглого сечения, полученное по кордному способу с применением модификатора и ориентационной вытяжки прочностью 36-38 гс/текс, линейной плотности 192 текс, подвергают текстильной переработке в ткань 2/2 саржевого переплетения и используют в качестве исходного образца для получения волокнистого материала. Образец вискозной ткани пропитывают в водном растворе, содержащем 6,5% гидроортофосфата аммония, 10,6% хлорида аммония и 2,5% хлорида натрия при температуре 30°С в течение 30 минут, отжимают на плюсовке и высушивают традиционном способом при температуре 95±5°С. Высушенную ткань подвергают термической обработке до температуры 220°С в среде метана, используя СВЧ-генератор мощностью 1 КВт с рабочей частотой 2450 МГц, после чего полученный частично карбонизованный материал нагревают до температуры 2400°С в среде азота. Получают мягкую графитированную ткань.

Проведенные исследования показали, что при получении заявленного углеродного волокнистого материала предел прочности при разрыве на 5 см ширины ткани составил не менее 60 кгс по основе и не менее 25 кгс по утку, что примерно на 12% выше аналогичных показателей материала, полученного по традиционной технологии.

Пример 2. Целлюлозное волокно перерабатывают по примеру 1, изменяя только мощность генератора на стадии карбонизации: 1500 Вт; 2000 Вт; 2500 Вт; 3000 Вт; 3500 Вт; 4000 Вт; 4500 Вт; 5000 Вт.

Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает повышение уровня прочности полученного углеродного волокнистого материала за счет снижения скорости нагрева, повышения точности при установлении температуры и создания равномерного (безградиентного) теплового поля обрабатываемого материала.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2475571

patent-2475571.pdf

Класс D01F9/16 из продуктов растительного происхождения или их производных, например ацетата целлюлозы

способ карбонизации вискозных волокнистых материалов в процессе получения углеродных волокон -  патент 2520982 (27.06.2014)
установка карбонизации волокнистых вискозных материалов для получения комбинированных углеродных нитей -  патент 2506356 (10.02.2014)
способ получения углеродных волокнистых материалов из вискозных волокон -  патент 2502836 (27.12.2013)
способ получения углеродного волокнистого материала -  патент 2490378 (20.08.2013)
способ получения углеродного волокнистого материала -  патент 2459893 (27.08.2012)
способ непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута -  патент 2429316 (20.09.2011)
способ получения углеродного волокна и материалов на его основе -  патент 2424385 (20.07.2011)
способ стабилизации углеродсодержащего волокна и способ получения углеродного волокна -  патент 2416682 (20.04.2011)
способ получения углеродных волокнистых структур путем карбонизации целлюлозного предшественника -  патент 2394949 (20.07.2010)
способ получения углеродного волокна и материалов на его основе -  патент 2384657 (20.03.2010)

Класс D01F11/02 из целлюлозы, производных целлюлозы или белков

способ получения антимикробного серебросодержащего целлюлозного материала -  патент 2525545 (20.08.2014)
способ получения антимикробного медьсодержащего целлюлозного материала -  патент 2523312 (20.07.2014)
способ получения целлюлозного волокна -  патент 2491376 (27.08.2013)
формованное изделие из целлюлозы с функциональным действием и способ его получения -  патент 2340710 (10.12.2008)
способ производства целлюлозного волокна с улучшенной биостойкостью и вещества, получаемые этим способом -  патент 2277140 (27.05.2006)
обработка волокна -  патент 2143017 (20.12.1999)
способ получения целлюлозных волокон с пониженной склонностью к фибриллированию -  патент 2127775 (20.03.1999)
карбоксиметилцеллюлозное волокно, способ его получения и влагопоглощающее изделие личного пользования -  патент 2107118 (20.03.1998)
способ окрашивания целлюлозного регенерированного удлиненного элемента -  патент 2076164 (27.03.1997)
Наверх